DC／DC變換器的典型電路結(jié)構(gòu)

　　最基本的斬波電路如圖1所示，斬波器負載為R。當開關(guān)S合上時，UOUT=UR=UIN，并持t1時間。當開關(guān)切斷時UOUT＝UR＝0，并持續(xù)莎2時間，T＝t1＋t2為斬波器的工作周期，斬波器的輸出波形如圖1（b）所示。定義斬波器的占空比D＝t1／T，t1，為斬波器導(dǎo)通時間，T為通斷周期。通常斬波器的工作方式有兩種：一是脈寬調(diào)制工作方式，即維持t1不變，改變T；二是脈頻調(diào)制工作方式，即維持T不變，改變t1。當占空比D從0變到1時，輸出電壓的平均值從零變到UIN，其等效電阻也隨著D而變化。

　　圖1 降壓斬波電路原理

　　在高頻穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計中，普遍采用的是脈寬調(diào)制方式。因為頻率調(diào)制方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且其濾波器設(shè)計也比較困難。

　?。?）降壓式（Buck）DC／DC變換器
　　如圖1所示的直流變換器在使用時的輸出紋波較大，為降低輸出紋波，可在輸出端接入電感L、電容C，如圖2所示。圖中的VD1為續(xù)流二極管。降壓（Buck）式變換器的輸出電壓平均值UOUT總是小于輸入電壓UIN。電路中通過電感的電流（iL）是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。

　　圖2 降壓式（Buck）變換器

　　式中，ton為晶體管導(dǎo)通時間；iOUT（max）為輸出電流的最大值；iOUT（min）為輸出電流的最小值；Δion為晶體管導(dǎo)通時間內(nèi)的輸出電流變量。

　　當晶體管截止時，電感中的電流不能突變，電感上的感應(yīng)電動勢使二極管導(dǎo)通，這時

　　式中，toff為晶體管截止時間；Δioff為晶體管截止時間內(nèi)的輸出電流變量。

　　在穩(wěn)態(tài)時

　　式中，Δi為輸出電流變量。

　　因為電感濾波保持了直流分量，消除了諧波分量，故輸出電流平均值為

　　圖3 升壓式（Boost）DC／DC變換器

式中，ΔI為輸入電流變量。

　　將t1＝DT，t2＝（1 －D）T代入上式，則求得

　　Boost DC／DC變換器是一個升壓斬波器。當D從0趨近于1時，UOUT從UIN變到任意大。同理可求得輸入電流

　　式中，I 為輸入電流；f 為開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率。

　　若忽略負載電流脈動，那么在［0，t1］期間，電容上泄放的電荷量反映了電容峰-峰電壓的脈動量，即輸出電壓Uo的脈動量。

　?。?）單端正激式DC／DC變換器
　　單端正激式DC／DC變換器的電路拓撲如圖4所示。圖中的變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級需有復(fù)位繞組Nro。在實際使用中，此繞組也可用R、C、VD吸收電路取代。如果芯片的輔助電源用反激供給，則也可削去調(diào)整管的部分峰值電壓（相當于一部分復(fù)位繞組）。輸出回路需有一個整流二極管VD1和一個續(xù)流二極管VD2若變壓器使用無氣隙的磁芯，則其銅損較小，變壓器溫升較低，并且其輸出的紋波電壓較小。

　　圖4 單端正激式DC／DC變換器的電路拓撲圖

　?。?）單端反激式DC／DC變換器
　　單端反激式DC／DC變換器的電路拓撲如圖5所示。其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關(guān)管VT開通時Np儲存能量，開關(guān)VT關(guān)斷時Np向Ns釋放能量。在輸出端需加由電感器Lo和兩個電容Co組成的低通濾波器，變壓器初級有由Cr、Rr和VDr組成的R、C、VD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個整流二極管VD1。若變壓器使用有氣隙的磁芯，則其銅損較大，變壓器溫度相對較高，并且其輸出的紋波電壓比較大。該變換器的優(yōu)點就是電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于200W以下的電源，輸出為多路時具有較好的交調(diào)特性。

　　圖5 單端反激式DC／DC變換器的電路拓撲圖

　　圖6 雙管正激式DC／DC變換器的電路拓撲圖

　?、僭谌魏喂ぷ鳁l件下，為使兩個開關(guān)管所承受的電壓不會超過UIN、＋Ud（UIN為輸入電壓；Ud為VD1、VD2的正向壓降），VD1、VD2必須是快恢復(fù)管（恢復(fù)時間越短越好，在實際設(shè)計和調(diào)試中多使用MUR460）。

　?、谂c單端正激式DC／DC變換器相比，它無須復(fù)位電路，這有利于簡化電路和變壓器的設(shè)計；其功率器件可選擇較低的耐壓值；其功率等級也會很大。

　?、蹆蓚€開關(guān)管的工作狀態(tài)一致，會同時處于通態(tài)或斷態(tài)。在大功率等級電源中選用此種電路，其開關(guān)管比較容易選擇，比如選擇IRFP460、IRFP460A等作為開關(guān)管即可。

　　（6）雙管反激式DC／DC變換器
　　雙管反激式DC／DC變換器的電路拓撲如圖7所示。圖中的變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關(guān)管VT1、VT2開通時Np儲存能量，開關(guān)管VT1、VT2關(guān)斷時Np向Np釋放能量，同時Ns的漏感將通過VD1、VD2返回給輸入，可省去R、C、VD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成的低通濾波器。輸出回路需有一個整流二極管VD3。雙管反激式DC／DC變換器的工作特點如下。

　　圖7 雙管反激式DC／DC變換器的電路拓撲圖

　?、僭谌魏喂ぷ鳁l件下，為使兩個開關(guān)管所承受的電壓不會超過UIN＋Ud（Ud為VD1，VD2的正向壓降），VD1、VD2必須是快恢復(fù)管。

　?、谠诜醇ら_始時，儲存在原邊Np的漏電感能量會經(jīng)VD1、VD2反饋回輸入端，系統(tǒng)能量損失小，效率高。

　?、叟c單端反激式變換器相比，它無須R、C、VD吸收電路；其功率器件可選擇較低的耐壓值；其功率等級也會很大。

　?、茉谳p載時，如果在“開通”周期儲存在變壓器的原邊繞組的能量顯得過多，那么在“關(guān)斷”周期會將過多的能量反饋回輸入端。

　?、輧蓚€開關(guān)管的工作狀態(tài)一致，下管的波形會優(yōu)于上管的波形。

　?。?）半橋式DC／DC變換器
　　半橋式DC／DC變換器的電路拓撲如圖8所示。圖中的變壓器T1，起隔離和傳遞能量的作用。開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，Np繞組上承受一半的輸入電壓，副邊繞組電壓使VD1導(dǎo)通；反之亦然。輸出回路VD1，VD2，Lo，Co共同組成了整流濾波電路。

　　圖8 半橋式DC／DC變換器的電路拓撲圖

　　此電路減小了原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力，所以是目前比較成熟和常見的電路；有70％以上的計算機電源、60％的電子鎮(zhèn)流器都使用此電路。半橋式DC／DC變換器的工作特點如下。

　?、賰蓚€調(diào)整管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動波形的相位差要大于180°，且存在一定的死區(qū)時間。

　?、贑1＝C3、R1=＝R2。

　?、跜1、C2主要用來自動平衡每個開關(guān)管的伏秒值。許多半橋DC／DC變換器的C1、C2多選用高壓鋁電解電容。因為鋁電解電容存在一個高頻特性的問題，在實際應(yīng)用中可采用CBB電容。

　?、蹸3主要用來濾去影響伏秒平衡的直流分量，應(yīng)采用CBB電容。

　?。?）全橋式DC／DC變換器
　　全橋式DC／DC變換器的電路拓撲如圖9所示。全橋式DC／DC變換器多用于大功率等級電源中，其主要特點如下。

　　圖9 全橋式DC／DC變換器的電路拓撲圖

　?、僮儔浩鞯睦寐时容^高，空載能量可以反饋回電網(wǎng)，電源效率高。

　?、诜€(wěn)態(tài)無靜差，動態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，抗高頻干擾能力強。

　?。?）推挽式DC／DC變換器
　　推挽式DC／DC變換器的電路拓撲如圖10所示。圖中的變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管VT1開通時，變壓器T1的Np1繞組工作并耦合到副邊Ns1繞組，開關(guān)管VT關(guān)斷時NNp1向Ns1釋放能量；反之亦然。在輸出端由續(xù)流電感器Lo和VD1、VD2構(gòu)成副邊整流電路。在設(shè)計電路時，開關(guān)管兩端應(yīng)加由R、C組成的吸收電路，以吸收開關(guān)管關(guān)斷時所產(chǎn)生的尖峰浪涌。推挽式DC／DC變換器的的工作特點如下。

　　圖10推挽式DC／DC變換器的電路拓撲圖

　?、僭谌魏喂ぷ鳁l件下，開關(guān)管都承受兩倍的輸入電壓，所以此電路多用于大功率等級的DC／DC電源中。

　?、趦蓚€開關(guān)管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動波形相位差要大于180°，并存在一定的死區(qū)時間。