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降壓型非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

發(fā)布時間:2023-11-28 09:03:04     瀏覽:664

  降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種常用的電子器件,用于將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓。其工作原理如下:

  1、輸入電壓通過一個開關(guān)(通常是一個功率MOSFET)連接到一個電感和一個濾波電容。開關(guān)周期性地打開和關(guān)閉,控制能量的流動。

  2、當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時,輸入電壓施加在電感上,使電流以指數(shù)上升的方式增加。這存儲了能量在電感中。

  3、當(dāng)開關(guān)打開時,電感中的磁場崩塌,產(chǎn)生一個反向電壓。根據(jù)Lenz定律,這個反向電壓使電流繼續(xù)流動,但通過一個二極管,稱為自由輪二極管。

  4、輸出電壓被取樣在輸出端,通常通過一個電壓反饋回路來保持穩(wěn)定。如果輸出電壓低于設(shè)定值,控制閉環(huán)將調(diào)整開關(guān)的占空比增加,以增加輸出電壓。

5、輸出電壓經(jīng)過一個濾波電容,以減小輸出紋波。然后通過輸出線路提供給負載。

需要注意的是,以上描述的是基本的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理。實際的轉(zhuǎn)換器電路可能包括其他元件,例如補償網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)壓器等,以提高穩(wěn)定性和效率。


  降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路

  Fig.1是同步整流方式的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路。

  基本電路結(jié)構(gòu)是在負責(zé)開關(guān)的MOSFET(Q1)之后,并聯(lián)連接整流用MOSFET(Q2)和輸出平滑電容器(C2),串聯(lián)連接線圈與MOSFET(Q1)。

  Q1與Q2由IC輸出的控制信號控制。

  同步整流方式的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路


  MOSFET(Q1)導(dǎo)通

  Fig.2表示開關(guān)元件Q1導(dǎo)通的狀態(tài)。

  當(dāng)Q1導(dǎo)通時,電流從輸入Vin流過線圈L并對輸出平滑電容器C2充電,提供輸出電流Iout。

  此時線圈L上流過的電流產(chǎn)生磁場,并將電能轉(zhuǎn)換成磁能蓄積儲存。

開關(guān)元件Q1導(dǎo)通的狀態(tài)


  Q1導(dǎo)通的ton期間,在線圈L上施加輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的電壓,以輸出電流Iout為中心的紋波電流為:image.png

  ΔIL:L上流過的電流變化量(紋波電流)[A]

  Vin:輸入電壓[V]

  Vout:輸出電壓[V]

  L:線圈電感值[H]

  ton:Q1導(dǎo)通時間[s]

image.png


  MOSFET(Q2)導(dǎo)通

  Fig.3表示開關(guān)元件Q2導(dǎo)通的狀態(tài)。

  Q1關(guān)斷后Q2導(dǎo)通,L上儲存的能量向輸出側(cè)釋放。

MOSFET(Q2)導(dǎo)通狀態(tài)


  在Q1關(guān)斷的toff期間,為了維持線圈L上流動的電流,經(jīng)由Q2向負載釋放電流。此toff期間的紋波電流為:image.png

  ΔIL:  L上流過的電流變化量(紋波電流)[A]

  Vout:  輸出電壓[V]

  L:  線圈電感值[H]

  toff:  Q1關(guān)斷時間[s]

image.png

 

  占空比

  由于穩(wěn)態(tài)下的Q1導(dǎo)通公式(1)與Q2導(dǎo)通公式(2)的ΔIL相等,因此輸入輸出電壓的關(guān)系為:image.png

  ton/(ton + toff)為Q1導(dǎo)通的時間比,被稱為占空比(duty cycle)。

  Vout取決于占空比,通過控制占空比來控制Vout。  

image.pngimage.png

設(shè)(ton + toff)為開關(guān)周期T[s],此時的開關(guān)頻率為fsw[Hz],將公式(1)與公式(3)整理為與fsw的關(guān)系就是:image.png

若Vin及Vout已確定,那么輸出的紋波電流則由L與fsw決定。

如果紋波電流大,則輸出紋波電壓變大。

此外,也容易使線圈飽和,從而造成鐵芯損耗增大等影響。

為了解決此類問題,需要提高開關(guān)頻率,或者增加線圈的圈數(shù)來提高電感值。


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