DC-DC的类型和拓扑结构

DC-DC-1---DCDC的原理及构成

1.什么是DC-DC

开关稳压器，英文(regulatior)，有人叫它调节器、稳压源。实现稳压，就是需要控制系统(负反馈)，从自动控制理论中我们知道，当电压上升的时候通过负反馈把它降低，当电压下降的时候就把它升上去，这样形成了一个控制环路,图1-1是降压型DCDC的结构。控制单元主要有PWM(脉宽控制方式)，PFM(频率控制方式)、移相控制方式等。储能元件常用为电感和电容(电荷泵)。

图1-1：降压型DCDC的内部结构

当开关元件导通时，输入能量从输入电容Cin，通过开关元件--->储能元件--->输出电容Cout--->负载RLOAD，此时储能元件同时也在储存能量，可以得到加在电感上的电压为：Vin-Vout=L*di/dton。

当开关元件关闭时，Vin不再提供能量，能量通过续流回路补充，从储能元件L存储的能量--->输出电容Cout--->负载RLOAD--->续流元件。此时可得式：L*di/dtoff= Vout，最后我们可以得出Vout/Vin=D，而Vout 永远是小于Vin 的，因为占空比D≤1，图1-2显示了占空比对Vout大小的影响。如下是各个器件的功能：

图1-2：占空比对Vout的大小影响

1、输入电容(Cin) 用于使输入电压平稳;

2、输出电容(Cout) 负责使输出电压平稳(平滑);

3、箝位二极管(D1) 在开关开路时为电感器提供一条电流通路;

4、电感器(L1) 用于存储即将传送至负载的能量。

2.DC-DC的类型和拓扑

1.降压型DC-DC

图1-3：降压型

2.升压型DC-DC

图1-4：升压型

3.反相型DC-DC

图1-5：反相型

4.升-降压型DC-DC

图1-6：升-降压型

3.伏秒定律

无论是哪一种DC-DC，最核心的工作原理是伏秒定律，也叫伏秒原则，伏秒平衡。在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。伏秒数也称为伏秒积，即电感两端的电压V和开关动作时间T二者的乘积。

当开关电源电路处于稳态工作时，一个开关周期内电感的电流变化量最终为零(电流稳定)，即开关导通时通过电感的电流增加量和开关断开时电感的电流减少量是相等的。换句话说，处于稳定工作状态的开关电路中，一个周期因开关作用被分为两段，其中开关导通时间内电感电流在增加，开关关断时间内电感电流在减少，那么在一个周期内，电流的增加量与电流的减少量是相等的，即：ΔIon=ΔIoff。那么加在电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感两端电压乘以关断时间，或指在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。在一个周期T内，电感电压对时间的积分为0，任何稳定拓扑中的电感都是传递能量而不消耗能量，都会满足伏秒平衡原理。伏秒原则可以保证电感不会出现偏磁现象，不会出现饱和。分析开关电源中电容和电感的几条原则：电容两端的电压不能突变 (当电容足够大时,可认为其电压不变);电感中的电流不能突变 (当电感足够大时,可认为其电流恒定不变);流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零;电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。如下是推导过程：

开关导通时，电感电压Von=L×∆Ion/∆Ton

开关闭合时，电感电压Voff=L×∆Ioff/∆Toff

因为一个周期内电流的变化量相等，所以Von×Ton=Voff×Toff，因为Ton和Toff决定开关调节的占空比，所以可以推出降压，升压，升降压拓扑的输入，输出和占空比的关系：

降压：Vout = Vin ● D

升压：Vout = Vin / (1-D)

升降压：Vout = Vin ● D / (1-D)

由于D的大小和电子元器件的限制，实际降压不能无限降，升压不能无限升。