工程师谈电路：DC-DC变换器电路原理简介

21ic电子网 2021-01-19 00:00

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主要介绍以下3种类型：

升压电路，降压电路，升降压电路

先来说一下

DC/DC变换器一般都包括两种基本工作模式：电感电流连续模式(CCM)、电感电流断续模式(DCM)。简单来说开关器件在负载电流较大的时都是工作CCM模式，但当随着负载电流下降，如果电感负载电流进一步减小，电感将进入DCM工作模式。

下面对两种电感模式下的升压，降压信号波形：

CCM：

DCM:

下面我将就CCM模式下对三种变换电路类型进行原理分析，DCM模式下，原理类似在此就不重复讲解：

降压转换电路

BUCK 变换器，也称为降压变换器，输出电压小于输入电压的降压型直流变换器。

输入电压VIN到输出电压VO的转换，该电路主要的电子元器件包括开关Q1 ，二极管D1，以及储能电感L1，滤波电容C1，负载RL组成。Q1的驱动信号为PWM脉冲信号。原理图如下：

在CCM工作模式下：

PWM在Q1GATE端输入脉冲信号，当PWM输入高电平时，Q1导通，由于Q1的RDSON很小，所以可以忽略掉Q1的导通电压，电流从电感中流过，形成回路如下图所示，电感中的电流线性增加，加在电感两端的电压为VIN-VO,那么在TON时间内,TON为PWM输入为高电平的时间，也就是开关管Q1处于导通状态的的时间内，电感增加磁通量就为(VIN-VO)*TON

电感为储能元器件，既能储存能量，又能释放能量。

PWM脉冲信号在Q1GATE端输入低电平时，开关管Q1处于截止状态，由于电感是储能元期间通过它的电流不能突然发生变化，这个时候L1释放的电流，电流具有连续性，形成如下图的回路，电感减少的磁通量为VO*Toff，这里的Toff为PWM输入为低电平的时间，也就是开关管Q1处于截止状态的的时间。

当开关Q1与开关Q1闭合达到动态平衡时，(VIN-VO)*TON=VO*Toff Vo = Vin×( Ton /(Ton + Toff) ) ，占空比＜1，所以输出电压低于低于输入电压，这样就实现了降压的目的。

D=TON/(TON+Toff),D为PWM脉冲信号输入的占空比。

升压转换器

BOOST变换器，也称升压变换器，是一种输出电压高于输入电压的直流变换器。原理图如下：

在CCM工作模式下：

PWM在Q1 GATE端输入脉冲信号，当PWM输入高电平时，Q1导通，输入电压加到电感上，形成如下图的回路，电感的电流线性增加，电感增加的磁通量为 VIN*TON, 电感中储存了能量， TON 为 PWM 脉冲信号输入高电平，也就是开关管 Q1 导通的时间。

当PWM在Q1 GATE端输入低电平时，开关管Q1处于断开状态，由于电感L1为储能元器件，电感输出电流输出电流具有连续性，输入电压VIN叠加上储能元器件电感上的感应电压，经过二极管给负载提供电压，形成如下回路，这里的二极管有一个作用，就是防止开关管Q1导通时，被充电的电容器通过开关管Q1对地放电，这样其实就达到了升压的目的，由此当开关达到动态平衡时，推导出如下公式，Vin×Ton=(Vo-Vin)×Toff由于占空比D＜1，所以Vin＜Vo，这里的二极管电压我们忽略不计了，此公式也就此验证了电路实现了升压的功能。

降压-升压转换器

BUCK/BOOST变换器，也称升降压变换器，输入电压既能高出输出电压，又能低于输出电压，但是输出电压的极性是与输入电压相反的这点在驱动单向导通的元器件，比如LED时，特别需要注意，以免出现负载不能正常工作的情况。降压升压转换器说到底其实就是将升压转化器和降压转换器进行了合并操作。工作原理其实都是一样的。原理图如下：

在CCM工作模式下：

PWM在Q1 GATE端输入脉冲信号，当PWM输入高电平时，Q1导通，输入电压加到电感上，

形成如下图的回路，电感的电流线性增加，进行储能，电感增加的磁通量为Vin×Ton。

当PWM在Q1 GATE端输入低电平时，开关管Q1处于断开状态，由于电感L1为储能元器件，电感输出电流输出电流具有连续性，电感通过以下回路给负载供电。

可以看到，输出的电动势是与输入的电动势相反的，所以电感减少的磁通量为-Vo×(T - Ton)。

达到动态平衡时，Vin×Ton = -Vo×(T - Ton)，Vo= Vin×( Ton / (Ton - T) ) = -Vin×( D / (1-D) )。由此公式我们也可以看出，在一定的时间内，当PWM输入脉冲信号的高电平所占比例大于低电平所占比例时，输入电压是大于输出电压的，也就是属于降压过程，当当PWM输入脉冲信号的高电平所占比例小于低电平所占比例时，输入电压是小于于输出电压的，也就是属于升压过程。

当输入电压大于输出电压时，降压-升压转换器以降压模式工作；输入电压小于输出电压时，在升压模式下工作。当转换器在输入电压处于输出电压范围内的传输区域中工作时，处理这些情况有两个概念：或是降压和升压级同时有效，或是开关循环在降压和升压级之间交替，每个通常以正常开关频率的一半运行。

本文系21ic论坛网友火星国务卿原创

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