電子技術（十九）——DC-DC

一、概述

DC-DC轉換器是一種電氣系統（設備），它將直流（DC）源從一個電壓電平轉換為另一個電壓電平。換句話說，DC-DC轉換器將直流輸入電壓作為輸入，并輸出不同的直流電壓。輸出直流電壓可以高于或低于直流輸入電壓。顧名思義，DC-DC轉換器僅適用于直流（DC）源，而不適用于替代電流（AC）源。DC-DC轉換器也稱為DC-DC電源轉換器或電壓調節器?！緛碓矗?60】

DC-DC分類見下圖【來源：360】

一、線性穩壓
對于線性穩壓來說，其特點時電路結構簡單，所需元件數量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其弱點就是效率低，功耗高。其效率η完全取決于輸出電壓大小。（后面將詳細論述）

二、開關式的DC-DC電路
DC-DC包括升壓、降壓、升/降壓和反相結構，具有高效率、高輸出電流、低靜態電流等特點，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC 轉換器的外圍電路僅需電感和濾波電容；但該類電源控制器的輸出紋波和開關噪聲較大、成本相對較高。

二、線性穩壓器

在開關DC-DC轉換器之前，通常使用線性轉換器。線性穩壓器（DC-DC轉換器）有兩種主要拓撲結構：并聯穩壓器和串聯穩壓器。在這種類型的穩壓器中，晶體管作為相關電流源在有源區域工作，在高電流下具有相對較高的壓降，消耗大量功率。由于高功率耗散，線性穩壓器的效率通常較低。線性穩壓器往往笨重而大，但具有低噪聲水平的優點，適用于音頻應用?！緛碓矗篍DC】

簡易并聯穩壓器

簡易串聯穩壓器

Vs – 電源電壓（in） R1 – 電阻 R2 –負載電阻器（其端子處的電壓為輸出電壓） DZ – 二極管 Q – 晶體管

簡單的并聯穩壓器，簡稱為并聯穩壓器，是一種穩壓器，其中調節元件將電流分流到地。并聯穩壓器的工作原理是在其端子上保持恒定的電壓，并吸收額外的電流來維持電氣負載兩端的電壓。并聯穩壓器最常見的元件之一包含簡單的齊納二極管電路，其中齊納二極管具有分流元件的作用。

簡單的串聯穩壓器，也稱為串聯通穩壓器，是在線性穩壓電源中提供最終電壓調節的最常用方法。該系列線性穩壓器的特點是輸出電壓在低紋波和低噪聲方面具有高水平的性能。

線性穩定器原理框圖【來源：電子發燒友】

三、開關電源

在開關DC-DC轉換器中，晶體管作為開關工作，這意味著它們比作為相關電流源運行的晶體管消耗的功率要少得多。當晶體管傳導高電流時，晶體管兩端的壓降非常低，當晶體管兩端的壓降較高時，晶體管傳導的電流幾乎為零。因此，開關模式轉換器的導通損耗低，效率高，通常在80%或90%以上。但是，開關損耗會降低高頻下的效率，開關頻率越高，功率損耗越高。與線性轉換器相比，開關型DC-DC轉換器具有更好的效率，因為它們不會連續耗散功率?！緛碓矗篍DC】

3.1降壓

降壓直流-直流轉換器原理圖

降壓DC-DC轉換器，也稱為降壓DC-DC轉換器，是一種DC-DC電源轉換器，它降低輸出電壓，同時增加輸出電流。它至少由四個部分組成：

用作開關元件的功率晶體管 （S）

整流二極管 （D）

電感器（L）作為儲能元件

濾波電容器（C）

輸入輸出電壓、電流和功率之間的關系如下：

Uout < Uin

Iout>I

Pout= Pin– P損耗

原理分析：

1、開關管導通時，環路由Vi，S，L，C構成。 此時負載由Vi供電，Vi同時還對電感L進行充電；

2、開關管斷開時，環路有L，C，D構成。S斷開時，由于電感L的電流不能突變，在電感兩端產生感應電壓，感應電壓繼續給負載供電，通過二極管D形成回路。

器件分析：

1、S，產品PWM波的關鍵器件，如果斷路，輸出電壓為0V；如果短路，輸出電壓為Vi，將燒毀負載元器件；

2、L，降壓的核心器件，如果斷路，輸出電壓0V；如果短路，輸出電壓為Vi，將燒毀負載元器件；

3、C，穩定輸出電壓的作用；

4、D，續流二極管，開關管斷開時，給L的的續流提供回路，如果斷路，輸出電壓出現尖峰，偏低等；如果短路，將損壞開關管。

原理設計分析：

分析發現，輸出電壓與PWM的占空比有關，占空比越大，開關管截至時間越長，VI供電的時間越長，輸出電壓越高， 公式如下： Vo = Vi*D。 D通常取值0.2至0.8

PCB設計分析:

原則，使環路最小，環路越小，輻射越小。

在電動汽車應用中，降壓DC-DC轉換器用于將主電池的高電壓（例如400 V）降低到車輛輔助系統（多媒體，導航，無線電，閃電，傳感器等）所需的較低值（12-14 V）。

3.2升壓

升壓DC-DC轉換器原理圖

升壓DC-DC轉換器，也稱為升壓DC-DC轉換器，是一種DC-DC電源轉換器，它增加輸出電壓，同時降低輸出電流。它包含與降壓DC-DC轉換器相同的元件，但采用不同的拓撲結構。輸入輸出電壓、電流和功率之間的關系如下：

Uout > Uin

Iout < Iin

Pout = Pin – Ploss

原理分析：

1、開關管導通時，環路由Vi，L，S構成。 此時Vi對L充電，負載由C供電；

2、開關管斷開時，環路有Vi，L，D，C構成。S斷開時，由于電感L的電流不能突變，在電感兩端產生感應電壓，感應電壓與Vi合在一起給負載供電，同時對C充電。

器件分析：

1、S，產品PWM波的關鍵器件，如果斷路，輸出電壓為Vi；如果短路，電感燒毀；

2、L，升壓的核心器件，如果斷路，輸出電壓0V；如果短路，電源將短路；

3、C，穩定輸出電壓的作用，由于S導通時，完全由C給負載供電，所以C需要的容值比較大，否則，紋波很大；

4、D，整流二極管，如果斷路，輸出電壓0V；如果短路，輸出不穩定。

原理設計分析：

分析發現，輸出電壓與PWM的占空比有關，占空比越大，開關管截至時間越長，Vi與L的感應電壓供電的時間越長，輸出電壓越高， 公式如下： Vo = Vi*(1/(1-D))。 Dmax = 0.9， Vomax = 10*Vi

PCB設計分析:

原則，使環路最小，環路越小，輻射越小【來源：CONNECT FUTURE】

在一些混合動力電動汽車（HEV）應用中，升壓DC-DC轉換器用于將電池的電壓從202 V升壓至500 V?；旌蟿恿ζ嚕℉EV）應用中的電池電壓受到串聯電池單元數量的限制。由于空間有限，電池串聯的電池數量有限，因此輸出電壓也受到限制。使用升壓DC-DC轉換器，電池電壓可以增加到電機所需的更高電壓。

降壓-升壓型DC-DC轉換器原理圖（反相拓撲）

在降壓DC-DC轉換器中，輸出電壓始終小于輸入電壓。另一方面，在DC-DC升壓轉換器中，輸出電壓始終大于輸入電壓。降壓-升壓型 DC-DC 轉換器將兩者結合在一起，其輸出電壓可以高于和降低輸入電壓，具體取決于施加到開關上的占空比。

審核編輯 黃宇