| 相信很多電子工程師都會(huì)接觸到各種各樣的電路，根據(jù)不同的要求來設(shè)計(jì)不同的電路，那么很多時(shí)候也會(huì)接觸到DC-DC電路，那么你知道怎么設(shè)計(jì)嗎?那就讓我?guī)ьI(lǐng)大家來學(xué)習(xí)一下吧。
DC-DC轉(zhuǎn)換器分為三類：Boost升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器、BUCK降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器以及 Boost-BUCK升降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器三種，如果電路低壓采用DC-DC轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)該是Boost升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路，并且輸入電壓、輸出電壓都是直流電壓，而且輸入電壓比輸出電壓低，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖
對(duì)于剛剛開始接觸和學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)的新人來說，扎實(shí)的了解和掌握DC-DC變換器的運(yùn)行情況，是非常有必要的。在平時(shí)的工作中，升壓式DC-DC變換器作為一種比較常見的能量轉(zhuǎn)換器，常常被應(yīng)用在電力、光伏變電等系統(tǒng)中。本文將會(huì)就該種DC-DC變換器的電路運(yùn)行原理，進(jìn)行簡要的分析和介紹，希望能夠?qū)Ω魑辉O(shè)計(jì)人員的工作有所幫助。
工作原理分為兩個(gè)步驟：
步驟一：開關(guān)管閉合(MOS管導(dǎo)通，相當(dāng)于一根導(dǎo)線)，這時(shí)輸入的直流電壓流過電感L。二極管D1作用是防止電容C對(duì)地放電，同時(shí)起到續(xù)流作用。由于輸入的電壓是直流電，因此電感上的電流以一定的比率線性的增加，這個(gè)比率跟電感因素有關(guān)，隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。
這里我們以最基礎(chǔ)的升壓式DC-DC變換器作為對(duì)象進(jìn)行分析，以便于大家理解。在正常工作的前提下，該種轉(zhuǎn)換器的工作電路主要由升壓電路及電壓調(diào)節(jié)電路兩大部分組成，下面我們將會(huì)分別為設(shè)計(jì)研發(fā)人員進(jìn)行這兩大部分電路的工作運(yùn)行情況介紹。
步驟二：，當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)候，由于電感的電流不能突變，也就是說流經(jīng)電感L的電流不會(huì)馬上變?yōu)榱悖蔷徛挠沙潆娡戤厱r(shí)的值變?yōu)榱悖@需要一個(gè)過程，而原來的電路回路已經(jīng)斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容C2充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了，升壓過程中，電容要足夠大，這樣在輸出端就可以在放電過程中保持一個(gè)持續(xù)的電流，這兩個(gè)步驟不斷重復(fù)，在輸出兩端就得到高于輸入電壓的電壓。
電感式DC-DC的升壓器原理
電感是我們?cè)谧儔浩髟O(shè)計(jì)當(dāng)中較長使用的一種元件，它的主要作用是把電能轉(zhuǎn)化為磁能再存儲(chǔ)起來。需要注意的是，雖然電感的結(jié)構(gòu)類似于變壓器，但是其只有一個(gè)繞組。本篇文章主要介紹了電感式DC-DC的升壓器原理，并且本文屬于基礎(chǔ)性質(zhì)，適合那些對(duì)電感的特性并不了解，但同時(shí)又對(duì)升壓器感興趣的朋友們。文中的一些原理性知識(shí)都能在網(wǎng)上查到，所以這里就不多家贅述了。
該種升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的升壓電路圖，該種升壓電路由輸出方波(脈沖)的振蕩器、開關(guān)管vT、儲(chǔ)能元件電感器L、單向?qū)ǘ䴓O管VD及儲(chǔ)能元件電容器C組成。由于開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài)，可用開關(guān)s來表示示。
想要充分理解電感式升壓原理，我們就必須首先知道電感的特性，包括電磁的轉(zhuǎn)換與磁儲(chǔ)能。這兩點(diǎn)非常重要，因?yàn)槲覀兯枰乃袇?shù)都是由這兩個(gè)特性引出來的。各位朋友都知道，上圖是電磁鐵，一個(gè)電池對(duì)一個(gè)線圈通電。有人可能會(huì)奇怪，這么簡單的圖有什么好分析的呢?我們就是要用這張簡單的圖來分析它通電和斷電的瞬間發(fā)生了什么。線圈(以后叫作電感了)有一個(gè)特性---電磁轉(zhuǎn)換，電可以變成磁，磁也可以變回電。當(dāng)通電瞬間，電會(huì)變?yōu)榇挪⒁源诺男问絻?chǔ)存在電感內(nèi)。而斷電瞬磁會(huì)變成電，從電感中釋放出來。
在轉(zhuǎn)換器正常運(yùn)行的狀態(tài)下，當(dāng)振蕩器輸出脈沖高電平時(shí)，開關(guān)管vT導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合，其發(fā)生過程如圖2所示。此時(shí)，輸入電壓VI經(jīng)電感器L及開關(guān)s到地形成電感電流iL，其運(yùn)行過程如圖3所示。到開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電感器電流到最大值PK， 電感器中儲(chǔ)存了能量。在開關(guān)管上有極小的導(dǎo)通電阻RDS(on)，所以開關(guān)管上有一個(gè)小的管壓降Von(sw)。
前面我說過了，電感內(nèi)的磁能會(huì)在電感斷電時(shí)重新變回電，然而問題來了：此時(shí)回路已經(jīng)斷開，電流無處可以，磁如何能轉(zhuǎn)換成電流呢?很簡單，電感兩端會(huì)出現(xiàn)高壓!電壓有多高呢?無窮高，直到擊穿任何阻擋電流前進(jìn)的介質(zhì)為止。這里我們了解了電感的第二個(gè)特性----升壓特性。當(dāng)回路斷開時(shí)，電感內(nèi)的能量會(huì)以無窮高電壓的形式變換回電，電壓能升多高，僅取決于介質(zhì)變的擊穿電壓。
當(dāng)該系統(tǒng)中的振蕩器輸出脈沖低電平時(shí)，開關(guān)管vT將會(huì)截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開。輸入電壓VIN疊加上儲(chǔ)能元件電感器上的感應(yīng)電壓VL(右正左負(fù))，經(jīng)二極管VD向儲(chǔ)能元件電容器C充電(充電電流iC)，電感器中的能量釋放，如圖4所示。由于振蕩器頻率較高一般幾十千赫至上百千赫，所以經(jīng)過一定時(shí)間，電容器上的電壓VC=VIN+VL-VF。式中VF為二極管的正向壓降。電感器上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓VL一般可達(dá)幾十伏，所以VC上的電壓往往可達(dá)幾十伏，VIN一般僅1.5-3V。這就是升壓電路的基本工作原理。開關(guān)管上的最高電壓等于VL+VIN。這里二極管VD主要起到一個(gè)堵塞作用，防止開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，充了電的電容器通過開關(guān)管對(duì)地放電。從圖3可看出電感器的峰值電流IPK要比供負(fù)載的平均電流大得多，一般為IOUT的2-3倍。
現(xiàn)在我們對(duì)以上的內(nèi)容作一下小結(jié)：
下面是正壓發(fā)生器，你不停地扳動(dòng)開關(guān)，從輸入處可以得到無窮高的正電壓。電壓到底升到多高，取決于你在二極管的另一端接了什么東西讓電流有處可去。如果什么也不接，電流就無處可去，于是電壓會(huì)升到足夠高，將開關(guān)擊穿，能量以熱的形式消耗掉。然后是負(fù)壓發(fā)生器，你不停地扳動(dòng)開關(guān)，從輸入處可以得到無窮高的負(fù)電壓。
在了解了升壓式DC-DC變換器的升壓電路后，接下來我們?cè)賮砜匆幌缕潆妷赫{(diào)節(jié)電路的運(yùn)行工作原理。該電路在正常運(yùn)行時(shí)并不穩(wěn)壓，如加上負(fù)載后，電壓VOUT會(huì)下降，并且其輸出電壓受振蕩器的工作頻率及電感器L大小的影響，輸出電壓VOUT變化較大。為達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定，增加電壓調(diào)節(jié)電路是必不可少的，增加穩(wěn)壓電路后的轉(zhuǎn)換器電路系統(tǒng)如圖5所示。它由檢測輸出電壓的電阻分壓器(R1、R2)、基準(zhǔn)電壓Vref、誤差放大器、脈沖寬度調(diào)制電路組成。
上面說的都是理論，現(xiàn)在來點(diǎn)實(shí)際的電子線路圖，看看正/負(fù)壓發(fā)生器的最小系統(tǒng)到底什么樣子：你可以很清楚看到演變，電路中僅僅把開關(guān)換成了三極管換而已。事實(shí)上，所以開關(guān)電源都是由這兩個(gè)圖組合變換而來。以上就是DC-D從的工作原理解析，希望能給大家?guī)椭?/font> |
