DC／DC變換器的典型電路結(jié)構(gòu)

　　最基本的斬波電路如圖1所示，斬波器負(fù)載為R。當(dāng)開關(guān)S合上時(shí)，UOUT=UR=UIN，并持t1時(shí)間。當(dāng)開關(guān)切斷時(shí)UOUT＝UR＝0，并持續(xù)莎2時(shí)間，T＝t1＋t2為斬波器的工作周期，斬波器的輸出波形如圖1（b）所示。定義斬波器的占空比D＝t1／T，t1，為斬波器導(dǎo)通時(shí)間，T為通斷周期。通常斬波器的工作方式有兩種：一是脈寬調(diào)制工作方式，即維持t1不變，改變T；二是脈頻調(diào)制工作方式，即維持T不變，改變t1。當(dāng)占空比D從0變到1時(shí)，輸出電壓的平均值從零變到UIN，其等效電阻也隨著D而變化。

　　圖1 降壓斬波電路原理

　　在高頻穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，普遍采用的是脈寬調(diào)制方式。因?yàn)轭l率調(diào)制方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且其濾波器設(shè)計(jì)也比較困難。

　?。?）降壓式（Buck）DC／DC變換器
　　如圖1所示的直流變換器在使用時(shí)的輸出紋波較大，為降低輸出紋波，可在輸出端接入電感L、電容C，如圖2所示。圖中的VD1為續(xù)流二極管。降壓（Buck）式變換器的輸出電壓平均值UOUT總是小于輸入電壓UIN。電路中通過電感的電流（iL）是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。

　　圖2 降壓式（Buck）變換器

　　式中，ton為晶體管導(dǎo)通時(shí)間；iOUT（max）為輸出電流的最大值；iOUT（min）為輸出電流的最小值；Δion為晶體管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的輸出電流變量。

　　當(dāng)晶體管截止時(shí)，電感中的電流不能突變，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使二極管導(dǎo)通，這時(shí)

　　式中，toff為晶體管截止時(shí)間；Δioff為晶體管截止時(shí)間內(nèi)的輸出電流變量。

　　在穩(wěn)態(tài)時(shí)

　　式中，Δi為輸出電流變量。

　　因?yàn)殡姼袨V波保持了直流分量，消除了諧波分量，故輸出電流平均值為

　　圖3 升壓式（Boost）DC／DC變換器

式中，ΔI為輸入電流變量。

　　將t1＝DT，t2＝（1 －D）T代入上式，則求得

　　Boost DC／DC變換器是一個(gè)升壓斬波器。當(dāng)D從0趨近于1時(shí)，UOUT從UIN變到任意大。同理可求得輸入電流

　　式中，I 為輸入電流；f 為開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率。

　　若忽略負(fù)載電流脈動(dòng)，那么在［0，t1］期間，電容上泄放的電荷量反映了電容峰-峰電壓的脈動(dòng)量，即輸出電壓Uo的脈動(dòng)量。

　?。?）單端正激式DC／DC變換器
　　單端正激式DC／DC變換器的電路拓?fù)淙鐖D4所示。圖中的變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用，變壓器初級(jí)需有復(fù)位繞組Nro。在實(shí)際使用中，此繞組也可用R、C、VD吸收電路取代。如果芯片的輔助電源用反激供給，則也可削去調(diào)整管的部分峰值電壓（相當(dāng)于一部分復(fù)位繞組）。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD1和一個(gè)續(xù)流二極管VD2若變壓器使用無氣隙的磁芯，則其銅損較小，變壓器溫升較低，并且其輸出的紋波電壓較小。

　　圖4 單端正激式DC／DC變換器的電路拓?fù)鋱D

　?。?）單端反激式DC／DC變換器
　　單端反激式DC／DC變換器的電路拓?fù)淙鐖D5所示。其變壓器T1起隔離和傳遞儲(chǔ)存能量的作用，即在開關(guān)管VT開通時(shí)Np儲(chǔ)存能量，開關(guān)VT關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量。在輸出端需加由電感器Lo和兩個(gè)電容Co組成的低通濾波器，變壓器初級(jí)有由Cr、Rr和VDr組成的R、C、VD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD1。若變壓器使用有氣隙的磁芯，則其銅損較大，變壓器溫度相對(duì)較高，并且其輸出的紋波電壓比較大。該變換器的優(yōu)點(diǎn)就是電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于200W以下的電源，輸出為多路時(shí)具有較好的交調(diào)特性。

　　圖5 單端反激式DC／DC變換器的電路拓?fù)鋱D

　　圖6 雙管正激式DC／DC變換器的電路拓?fù)鋱D

　　①在任何工作條件下，為使兩個(gè)開關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過UIN、＋Ud（UIN為輸入電壓；Ud為VD1、VD2的正向壓降），VD1、VD2必須是快恢復(fù)管（恢復(fù)時(shí)間越短越好，在實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試中多使用MUR460）。

　　②與單端正激式DC／DC變換器相比，它無須復(fù)位電路，這有利于簡化電路和變壓器的設(shè)計(jì)；其功率器件可選擇較低的耐壓值；其功率等級(jí)也會(huì)很大。

　?、蹆蓚€(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)一致，會(huì)同時(shí)處于通態(tài)或斷態(tài)。在大功率等級(jí)電源中選用此種電路，其開關(guān)管比較容易選擇，比如選擇IRFP460、IRFP460A等作為開關(guān)管即可。

　　（6）雙管反激式DC／DC變換器
　　雙管反激式DC／DC變換器的電路拓?fù)淙鐖D7所示。圖中的變壓器T1起隔離和傳遞儲(chǔ)存能量的作用，即在開關(guān)管VT1、VT2開通時(shí)Np儲(chǔ)存能量，開關(guān)管VT1、VT2關(guān)斷時(shí)Np向Np釋放能量，同時(shí)Ns的漏感將通過VD1、VD2返回給輸入，可省去R、C、VD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成的低通濾波器。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD3。雙管反激式DC／DC變換器的工作特點(diǎn)如下。

　　圖7 雙管反激式DC／DC變換器的電路拓?fù)鋱D

　?、僭谌魏喂ぷ鳁l件下，為使兩個(gè)開關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過UIN＋Ud（Ud為VD1，VD2的正向壓降），VD1、VD2必須是快恢復(fù)管。

　?、谠诜醇ら_始時(shí)，儲(chǔ)存在原邊Np的漏電感能量會(huì)經(jīng)VD1、VD2反饋回輸入端，系統(tǒng)能量損失小，效率高。

　　③與單端反激式變換器相比，它無須R、C、VD吸收電路；其功率器件可選擇較低的耐壓值；其功率等級(jí)也會(huì)很大。

　?、茉谳p載時(shí)，如果在“開通”周期儲(chǔ)存在變壓器的原邊繞組的能量顯得過多，那么在“關(guān)斷”周期會(huì)將過多的能量反饋回輸入端。

　?、輧蓚€(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)一致，下管的波形會(huì)優(yōu)于上管的波形。

　　（7）半橋式DC／DC變換器
　　半橋式DC／DC變換器的電路拓?fù)淙鐖D8所示。圖中的變壓器T1，起隔離和傳遞能量的作用。開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，Np繞組上承受一半的輸入電壓，副邊繞組電壓使VD1導(dǎo)通；反之亦然。輸出回路VD1，VD2，Lo，Co共同組成了整流濾波電路。

　　圖8 半橋式DC／DC變換器的電路拓?fù)鋱D

　　此電路減小了原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力，所以是目前比較成熟和常見的電路；有70％以上的計(jì)算機(jī)電源、60％的電子鎮(zhèn)流器都使用此電路。半橋式DC／DC變換器的工作特點(diǎn)如下。

　?、賰蓚€(gè)調(diào)整管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動(dòng)波形的相位差要大于180°，且存在一定的死區(qū)時(shí)間。

　?、贑1＝C3、R1=＝R2。

　?、跜1、C2主要用來自動(dòng)平衡每個(gè)開關(guān)管的伏秒值。許多半橋DC／DC變換器的C1、C2多選用高壓鋁電解電容。因?yàn)殇X電解電容存在一個(gè)高頻特性的問題，在實(shí)際應(yīng)用中可采用CBB電容。

　?、蹸3主要用來濾去影響伏秒平衡的直流分量，應(yīng)采用CBB電容。

　?。?）全橋式DC／DC變換器
　　全橋式DC／DC變換器的電路拓?fù)淙鐖D9所示。全橋式DC／DC變換器多用于大功率等級(jí)電源中，其主要特點(diǎn)如下。

　　圖9 全橋式DC／DC變換器的電路拓?fù)鋱D

　?、僮儔浩鞯睦寐时容^高，空載能量可以反饋回電網(wǎng)，電源效率高。

　?、诜€(wěn)態(tài)無靜差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，抗高頻干擾能力強(qiáng)。

　?。?）推挽式DC／DC變換器
　　推挽式DC／DC變換器的電路拓?fù)淙鐖D10所示。圖中的變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管VT1開通時(shí)，變壓器T1的Np1繞組工作并耦合到副邊Ns1繞組，開關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)NNp1向Ns1釋放能量；反之亦然。在輸出端由續(xù)流電感器Lo和VD1、VD2構(gòu)成副邊整流電路。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，開關(guān)管兩端應(yīng)加由R、C組成的吸收電路，以吸收開關(guān)管關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的尖峰浪涌。推挽式DC／DC變換器的的工作特點(diǎn)如下。

　　圖10推挽式DC／DC變換器的電路拓?fù)鋱D

　?、僭谌魏喂ぷ鳁l件下，開關(guān)管都承受兩倍的輸入電壓，所以此電路多用于大功率等級(jí)的DC／DC電源中。

　　②兩個(gè)開關(guān)管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動(dòng)波形相位差要大于180°，并存在一定的死區(qū)時(shí)間。