如何设计降压型DC-DC转换器？

对于从工业、医疗到家庭领域中的各式各样的数字应用，时常都需要直流电压转换。而复杂程度不一的、被称为DC-DC转换器的电路，实现了从一个电平到另一个电平的直流电压转换。显然，电压转换既包括升压，也包括降压。

DC电压转换

以交流形式为建筑物分配电力的主要原因之一在于交流电压转换的简易性。交流变压器能够非常容易且安全地升高或降低交流电源电压。然而对于直流电压来说，其改变可就不那么简单了。直流电压转换要复杂得多，需要特殊的策略、方法、以及极其复杂的元器件和电路。在各种电子应用中，大都需要将直流电压转换为另一直流电压，例如电动车的电机控制、以及需要连续改变转速同时保持转矩和力参数不变的所有其他应用。有了DC-DC转换，就很容易实现精密电源，从而可以根据应用的不同需要，采用不同的电源电压。

降压转换

在DC-DC开关电路中，通过适当驱动电子开关，并利用元器件来存储能量，即可实现电压转换。降压转换器，指的是一种对输入电压进行降压、并提供较低输出电压的DC-DC转换器。如今，现代技术已将整个复杂的电路结构封装在一个外壳中。理论上，可以通过采用大功率电阻器或功率分配器来降低输入电压。但这种方案中，有巨大的能量被转化成了热量，从而导致能量被不必要地浪费掉了，并且这样的解决方案，所实现的效率也才只有几个百分点。而开关电路的效率则要高得多，其基础是一个以非常高频率交替切换的电子开关(BJT、Mosfet等)，参见图1。通常，开关频率高于超声波频率(>20kHz)。

图1：通过改变开关信号的占空比来选择输出电压。

如果SW开关闭合一段时间，使负载R端上的电压升至Vs，该时间记为t1。反之，如果该开关再断开一段时间，使负荷R端上对应的电压降至0V，将该断开时间记为t2。这些脉冲的快速连续切换，导致负载上的电压为0V～Vs之间的某一个值。后者是可变的，其为脉冲占空比的函数，该占空比位于0%至100%(PWM)之间。如果信号是由矩形波或方波产生的，则该电压等于：

而在其他所有情况下，电压都由下式确定：

以电阻器和电感器为负载的直流降压转换器

图2显示了负载为LC型的降压电路原理图和工作原理。该DC-DC转换器提供的输出电压低于输入电压。其主要由用作为SW开关的Mosfet和二极管D组成。输出滤波器网络由电感器L、电容器C和负载电阻器R组成。其工作原理实际上也非常简单。即利用脉宽调制器(PWM)来控制Mosfet，直流电压V为电路供电。电子开关产生具有非零电压值和适当占空比参数的矩形信号。输出是一个位于0V～Vs之间的平均电压，其具体值取决于由信号的ON百分比所设置的各参数。在图2的波形图中，可观察到以下信号：

·V_in：为整个转换电路供电的直流输入电压；

·V_sw：由电子开关控制系统提供的矩形信号(脉冲串)；

·V_d：为二极管两端的信号。该信号会受到尖峰和自激的影响，这些尖峰和自激、以及干扰(EMI)会导致该信号饱和；

·V_out：是低于输入信号的输出信号。该输出信号可能会受到自激信号的影响(为清晰所见，图中故意进行了放大)。通常，通过使用大输出电容，会显著减轻这一问题。

图2：负载为电阻器和电感器的降压转换器。

现在可以观察DC-DC转换器两个不同工作阶段(即开关分别处于ON和OFF位置)中电子元器件的工作状态和功能：

   ·当开关闭合时，电流流过开关，而不通过二极管，此时二极管呈反向。因此，利用该电流对电容器进行充电。换言之，开关处于正常导通状态，电流从电压发生器正常流向负载；

   ·一旦开关断开，电感器两端的电压就会反转，并使二极管导通。实际上，该元件还可以抑制开关断开时可能发生的任何浪涌。换句话说，开关不导通时，负载电流反过来流过环流二极管。

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再加上纹波。反过来，在“OFF”阶段，流经二极管的电流实际上也等于电感器中的平均电流与电流纹波之和。

如果电感器和电容器是理想器件，这个电路的效率将是100%，然而事实上，该效率仅约为94%。实际上，电路效率在很大程度上取决于PWM信号的占空比。特别地，当输出电压远低于输入电压时，大电流将会流过开关，这将导致不必要的能量浪费。从图3曲线中可以看出，当占空比较低时，DC-DC转换器的效率也会较低。因此，应避免设计占空比低于20%(降压比很高)的转换器。请注意，图中所示的两个比例均以百分比表示。

图3：降压转换器的效率在很大程度上取决于PWM的占空比(代表在相同负载下输出电压的降压比)。

表1显示了开关的一些占空比值以及相应的系统效率。当然，这只是一般数据，该数据可能会略有不同，具体还取决于其他电路参数。

表1：开关部分占空比与相应的系统效率。

该类型的DC-DC转换器处理的信号并不是很干净，如图4中的频谱图所示，信号中包含几个谐波。上面的第一个频谱图显示了二极管上存在的谐波，而第二个频谱图则是电感器之后还存在的谐波。因此，设计者应该设计一种好的滤波器网络，利用该滤波器网络尽可能地消除或减少谐波这类的无用信号。

图4：降压转换器受到所用电子元件(BJT、MOSFET、电感器等)开关干扰的影响。

工作参数和电子元器件选择

设计转换电路时需选择的主要参数如下：

·输入电压

·输出电压

·最大负载电流

显然，还有更多的参数需要考虑，但上面所列参数是系统设计开始前必须确定的基本参数。前面的验证公式基于的是占空比，并确定其值为位于0V～Vs之间的输出电压。根据该百分比，可以利用通用关系式：

反之，也可以通过关系式轻松地计算占空比：

开关频率必须根据电子开关特性进行选择。新技术可实现更高的开关速度。一般来说，如下是不同半导体开关类型通常采用的开关频率：

·40kHz，硅BJT

·100kHz，硅MOSFET

·400kHz，SiC MOSFET

·500kHz，GaN MOSFET

当然，工作频率也可以提高，但要以牺牲系统整体效率为代价。另一方面，最佳工作时的开关速度要低于其最大值。栅极电容是影响MOSFET开关过程的因素，设计师必须密切关注。通常，降压转换器很难驱动，原因就是栅极没有精确的地基准。因为驱动电压为矩形信号，并且MOSFET在高电压条件下导通，所以必须通过合适的驱动器向该端子提供大电流。

假如期望设计的降压DC/DC转换器具有以下特性：

·输入电压(V_IN)：24V

·输出电压(V_OUT)：12V

·最小输出电流(IO_MIN)：1A

·最大输出电流(IO_MAX)：5A

·开关频率：100kHz

·效率：90%

有了上述这些数据，就可以计算出如下一些重要的信息。请注意，电抗元件在很大程度上取决于所使用的开关频率。

结论

由于开关频率和电抗元件的存在，降压变换器电路产生了大量的电噪声和干扰。一些自激会发生在比电子开关频率高得多的频率上。因此，为了获得最佳且纯净的输出电压，设计师不仅要研究理论和实践，而且还必须采用高性能的滤波器，以实现优秀的设计，从而将这些电子噪声降至最低。另外，除了采用公式和纯理论，设计师还必须利用高标准的电子仪器和测量设备，对电路的功能参数进行验证。

本文为《电子工程专辑》2023年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅