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通俗易懂,DC/DC电路应用分析

2019-11-6 11:55:20 显示全部楼层
将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输出直流电压称为DC/DC变换。
实现DC/DC变换有两种模式,一种是线性调节模式(Linear Regulator),另一种是开关调节模式(Switch Regulator)。线性调节模式即LDO(Low Dropout Regulator),我们在上一篇《低压差线性稳压器LDO电路应用分析》中已经描述过;开关调节模式则是通过控制场效应管不断地导通和闭合对输出电压进行调节。

DC/DC开关调节模式与线性调节模式相比具有以下明显的特点。
1、功耗小、效率高
在DC/DC变换中,电力半导体器件工作在开关状态,工作频率很高,目前这个工作频率已达到数百甚至1000KHz,这使得电力半导体器件的功耗减少、效率大幅度提高。
2、体积小、质量轻
由于频率提高,使得脉冲变压器、滤波电感、电容的体积、质量大大减小,同时,由于效率提高,散热器体积也减小。还由于DC/DC变换无笨重的工频变压器,所以DC/DC变换器体积小、质量轻。
3、稳压范围宽
目前DC/DC变换中基本使用脉宽调制(PWM)技术,通过调节脉宽来调节输出电压,对输入电压变化也可调节脉宽来进行补偿,因此稳压范围宽。
DC/DC变换按调制方式划分,可以分为脉宽调制(PWM)和频率调制(PFM)两种方式,脉宽调制时场效应管的工作频率保持不变,通过调整脉冲宽度达到调整输出电压的目的。频率调制在DC/DC变换器设计中易产生谐波干扰,且滤波器设计困难。脉宽调制(PWM)相比频率调制(PFM)有明显优点,目前在DC/DC设计中占据主导地位。还有混合式,即在某种条件下使用脉宽调制(PWM),在另一条件下使用频率调制(PFM)。
按输入与输出之间是否有电气隔离划分,DC/DC变换器可分为隔离型和不隔离型。隔离型DC/DC变换器按半导体器件的个数可分为单管DC/DC变换器(单端正激、单端反激)、双管DC/DC变换器(双管正激,双管反激,推挽电路和半桥电路等),四管DC/DC变换器(即全桥DC/DC变换器)。
不隔离型DC/DC变换器主要有降压式(Buck)变换器,升压式(Boost)变换器,升降压式(Buck-Boost)变换器,Cuk变换器,Zeta变换器和Sepic变换器等。
下面以PWM调制的降压式(Buck)变换器,升压式(Boost)变换器为例说明。

DC/DC变换器的要求及主要技术指标如下:
1、输入参数
输入电压及输入电压变化范围;输入电流及输入电流变化范围。
2、输出参数
输出电压及输出电压变化范围;输出电流及输出电流变换范围;输出电压稳定精度。
输出电压稳定精度包括以下三个内容。
1、负载调整率
即负载效应,指当负载在0~100%额定电流范围内变化时,输出电压的变化量与输出电压额定值的比值。
2、源效率
源效率是指当输入电压在规定范围内变化时,输出电压的变化量与输出电压额定值的比值。
3、输出电压纹波的有效值和峰值
一、降压式Buck电路分析
Buck电路又称为串联开关稳压电路或降压斩波电路。Buck降压电路的原理如下图a)所示(为提高开关速度一般用FET),Buck电路有两种基本工作模式,即电感电流连续模式CCM和电感电流断续模式DCM。
电感电流连续是指输出滤波电感电流总是大于零,电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间电感电流为零,这两种状态之间有一个临界状态,即在开关管关断末期电感电流刚好为零。当电感电流连续时,Buck变换器存在两种开关状态;当电感电流断续时,Buck变换器存在3种开关状态,如下图b),c),d)所示。
1.jpg



Buck变换器的设计步骤如下:
1、选择续流二极管。
续流二极管选用快恢复二极管,其额定工作电流和反向耐压必须满足电路要求,并留一定的余量。
2、选择开关管的工作频率
最好工作频率大于20KHz,以避开音频噪声,工作频率的提高可以减小L,C,但开关损耗增大,因此效率减小。
3、开关管可选方案
MOSFET、IGBT、GTR
4、占空比选择
为保证当输入电压发生波动时,输出电压能够稳定,则占空比一般选择0.7左右。
5、确定临界电感
电感一般选取临界电感的10倍。
6、确定电容
电容耐压必须超过额定电压,电容必须能够传送所需的瞬态电流值。
7、根据纹波要求,确定电容容量
8、确定连接导线
确定导线必须计算电流有效值。
9、由电流有效值确定导线截面积,由工作频率确定穿透深度,然后确定线径和导线根数。
二、升压式Boost电路分析
Boost电路如下图a)所示,等效电路如下图b)所示,它是一个升压斩波电路。与Buck电路一样,Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式,电感电流连续时,存在两种工作状态;电感电流断续时,存在3种工作状态。

Boost变换器在电感电流断续时有3种开关状态:
1、Q导通,电感电流从零增加到最大。
2、Q关断,,二极管VD续流,电感电流从最大减小到零。
3、Q和VD均截止,电感电流保持为零,负载由输出滤波电容供电。
这三种工作状态的等效电路图如下图b),c),d)所示。



明确了Buck和Boost电路的拓扑结构及工作流程后,就可以根据电路的需要选择合适的FET或BJT来作为电路的开关,选择合适的续流二极管、回路电感及滤波电容。



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yzw92

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yzw92 2019-11-7 06:13:45 显示全部楼层
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