以电阻和电感作为负载的降压DC-DC转换器

将一种直流电压转换为另一种直流电压的必要性常常是工业、医疗甚至家庭领域众多应用的核心。一种或多或少复杂的设备，称为直流-直流转换器，执行从一个电平到另一个电平的直流电压变化。电压可能会以上升或下降的方式变化。在本章中，我们将研究最常用的方法。

改变直流电源的电压 – DC-DC 转换器

在家庭中以交流形式分配电力的主要原因之一是转换的简单性。变压器足以非常轻松、安全地升高或降低交流电源电压。不幸的是，对于直流电压来说，事情就没那么简单了。它的转变更加复杂，需要特殊的策略、方法和极其复杂的电子元件。将直流电压转换为另一种直流电压可用于各种电力应用，例如电动车辆电机的控制以及需要连续改变旋转速度同时保持扭矩和力参数的所有其他应用完好无损的。带DC-DC转换，很容易拥有复杂的电源，可能根据需要使用不同的电源电压工作。

降压（降压）

在 DC-DC 开关电路中，使用适当驱动的电子开关和组件来存储能量，从而实现能量转换。降压转换器也称为降压转换器，是一种 DC-DC 电源转换器，可降低输入电压并提供较低的输出电压。当今的现代技术将整个复杂的电路结构封装在一个外壳中。理论上，可以通过使用大功率电阻器或功率分配器来降低输入电压，但是不必要地浪费在热量中的能量将是巨大的，并且这种解决方案只能返回几个百分点的效率。开关电路的基础是一个电子开关（BJT、Mosfet 或其他），它以非常高的频率交替打开和关闭（见图 1）。

开关信号允许您通过简单地改变其占空比来选择输出电压

图 1：开关信号允许您通过简单地改变其占空比来选择输出电压

若SW开关闭合时间t1，则负载R两端有电压Vs。相反，如果该开关打开时间 t2，则负载 R 两端的电压为 0 V。这些脉冲的快速连续导致负载处的电压介于 0 V 和 Vs 之间。后者可作为占空比的函数在 0% 和 100% (PWM) 之间变化。如果信号由矩形波或方波生成，则该电压等于：

在所有其他情况下，电压等于：

以电阻和电感作为负载的降压 DC-DC 转换器

图 2 显示了带有 LC 型负载的降压电路的通用原理图和工作原理。该DC-DC转换器提供低于输入电压的输出电压。它主要由作为SW开关的Mosfet和二极管D组成。输出滤波网络由电感器L、电容器C和负载电阻器R组成。Mosfet可以由脉宽调制器（PWM）控制。它的操作非常简单。直流电压 V 为电路供电。电子开关生成具有非零电压值和适当占空比参数的矩形信号。根据信号 ON 百分比设置的参数，输出是介于 0 V 和 Vs 之间的平均电压。在图中的波形图上，可以观察到以下信号：

v(in)：是直流输入电压，为整个转换电路供电；

v(sw)：是由电子开关控制的系统提供的矩形信号（脉冲串）；

v(d)：是二极管两端的信号。可以看出，它受到峰值和振荡的影响，使信号因干扰（EMI）而饱和；

v(out)：是低于输入信号的输出信号。它可能会受到振荡的影响，在图中被故意放大。通常，使用大输出电容可以显着减少这个问题。

图2：以电阻器和电感器作为负载的降压转换器

现在我们可以观察电子元件在 DC-DC 转换器操作的两个不同阶段（即当开关处于 ON 位置和 OFF 位置时）执行的操作和功能：

当开关闭合时，电流通常流过它而不流过二极管，因为二极管的极性相反。因此，电容器通过该电流充电。也就是说，开关处于正常导通状态，电流正常从电压发生器流向负载；

一旦开关打开，电感器就会反转其两端的电压并使二极管导通。该组件还可以抑制开关打开时可能出现的任何浪涌。换句话说，开关不导通，负载电流流过循环二极管。

电感器中的平均电流约等于输出电流。在“ON”阶段，MOSFET 中的电流将等于电感器中的平均电流加上纹波。相反，在“OFF”阶段，流过二极管的电流等于电感器中的平均电流加上电流纹波之和。如果电感器和电容器是理想的，该电路的效率将为100%。事实上，这一比例约为 94%。电路的效率在很大程度上取决于 PWM 信号的占空比。特别是，当输出电压远低于输入电压时，开关处会建立大电流传输，这导致不必要的能量浪费。从图3中可以看出，当占空比较低时，DC-DC转换器的效率也会很低。因此，应避免设计占空比低于 20% 的转换器来实现高减速比。请注意，图中表示的两个比例均以百分比表示。

降压转换器的效率在很大程度上取决于PWM的占空比，即相同负载下输出电压的降低比例

图 3：降压转换器的效率在很大程度上取决于 PWM 的占空比，即相同负载下输出电压的降低比率

下表显示了开关的一些占空比值以及相应的系统效率值。当然，这是通用数据，可能会根据许多电路参数而略有不同。

这种类型的 DC-DC 转换器处理的信号不是很干净，如图 4 中的频谱图所示，信号中存在多个谐波。上面的第一个频谱图显示了二极管上存在的谐波，而第二个频谱图显示了电感器之后存在的谐波。因此，设计人员应该实现一个良好的滤波器系统，尽可能消除或减少这些类型的不需要的信号。