电子技术（十九）——DC-DC

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一、概述


DC-DC转换器是一种电气系统（设备），它将直流（DC）源从一个电压电平转换为另一个电压电平。换句话说，DC-DC转换器将直流输入电压作为输入，并输出不同的直流电压。输出直流电压可以高于或低于直流输入电压。顾名思义，DC-DC转换器仅适用于直流（DC）源，而不适用于替代电流（AC）源。DC-DC转换器也称为DC-DC电源转换器或电压调节器。【来源：360】

DC-DC分类见下图【来源：360】

一、线性稳压对于线性稳压来说，其特点时电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很大，但其弱点就是效率低，功耗高。其效率η完全取决于输出电压大小。（后面将详细论述）

二、开关式的DC-DC电路DC-DC包括升压、降压、升/降压和反相结构，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点，随着集成度的提高，许多新型DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。




二、线性稳压器


在开关DC-DC转换器之前，通常使用线性转换器。线性稳压器（DC-DC转换器）有两种主要拓扑结构：并联稳压器和串联稳压器。在这种类型的稳压器中，晶体管作为相关电流源在有源区域工作，在高电流下具有相对较高的压降，消耗大量功率。由于高功率耗散，线性稳压器的效率通常较低。线性稳压器往往笨重而大，但具有低噪声水平的优点，适用于音频应用。【来源：EDC】





Vs – 电源电压（in） R1 – 电阻 R2 –负载电阻器（其端子处的电压为输出电压） DZ – 二极管 Q – 晶体管

简单的并联稳压器，简称为并联稳压器，是一种稳压器，其中调节元件将电流分流到地。并联稳压器的工作原理是在其端子上保持恒定的电压，并吸收额外的电流来维持电气负载两端的电压。并联稳压器最常见的元件之一包含简单的齐纳二极管电路，其中齐纳二极管具有分流元件的作用。

简单的串联稳压器，也称为串联通稳压器，是在线性稳压电源中提供最终电压调节的最常用方法。该系列线性稳压器的特点是输出电压在低纹波和低噪声方面具有高水平的性能。




三、开关电源


在开关DC-DC转换器中，晶体管作为开关工作，这意味着它们比作为相关电流源运行的晶体管消耗的功率要少得多。当晶体管传导高电流时，晶体管两端的压降非常低，当晶体管两端的压降较高时，晶体管传导的电流几乎为零。因此，开关模式转换器的导通损耗低，效率高，通常在80%或90%以上。但是，开关损耗会降低高频下的效率，开关频率越高，功率损耗越高。与线性转换器相比，开关型DC-DC转换器具有更好的效率，因为它们不会连续耗散功率。【来源：EDC】

3.1降压



降压DC-DC转换器，也称为降压DC-DC转换器，是一种DC-DC电源转换器，它降低输出电压，同时增加输出电流。它至少由四个部分组成：

用作开关元件的功率晶体管 （S）

整流二极管 （D）

电感器（L）作为储能元件

滤波电容器（C）

输入输出电压、电流和功率之间的关系如下：

Uout < Uin

Iout>I

Pout= Pin– P损耗

原理分析：

1、开关管导通时，环路由Vi，S，L，C构成。 此时负载由Vi供电，Vi同时还对电感L进行充电；

2、开关管断开时，环路有L，C，D构成。S断开时，由于电感L的电流不能突变，在电感两端产生感应电压，感应电压继续给负载供电，通过二极管D形成回路。

器件分析：

1、S，产品PWM波的关键器件，如果断路，输出电压为0V；如果短路，输出电压为Vi，将烧毁负载元器件；

2、L，降压的核心器件，如果断路，输出电压0V；如果短路，输出电压为Vi，将烧毁负载元器件；

3、C，稳定输出电压的作用；

4、D，续流二极管，开关管断开时，给L的的续流提供回路，如果断路，输出电压出现尖峰，偏低等；如果短路，将损坏开关管。

原理设计分析：

分析发现，输出电压与PWM的占空比有关，占空比越大，开关管截至时间越长，VI供电的时间越长，输出电压越高， 公式如下： Vo = Vi*D。 D通常取值0.2至0.8

PCB设计分析:

原则，使环路最小，环路越小，辐射越小。

在电动汽车应用中，降压DC-DC转换器用于将主电池的高电压（例如400 V）降低到车辆辅助系统（多媒体，导航，无线电，闪电，传感器等）所需的较低值（12-14 V）。



3.2升压



升压DC-DC转换器，也称为升压DC-DC转换器，是一种DC-DC电源转换器，它增加输出电压，同时降低输出电流。它包含与降压DC-DC转换器相同的元件，但采用不同的拓扑结构。输入输出电压、电流和功率之间的关系如下：

Uout > Uin

Iout < Iin

Pout = Pin – Ploss

原理分析：

1、开关管导通时，环路由Vi，L，S构成。 此时Vi对L充电，负载由C供电；

2、开关管断开时，环路有Vi，L，D，C构成。S断开时，由于电感L的电流不能突变，在电感两端产生感应电压，感应电压与Vi合在一起给负载供电，同时对C充电。

器件分析：

1、S，产品PWM波的关键器件，如果断路，输出电压为Vi；如果短路，电感烧毁；

2、L，升压的核心器件，如果断路，输出电压0V；如果短路，电源将短路；

3、C，稳定输出电压的作用，由于S导通时，完全由C给负载供电，所以C需要的容值比较大，否则，纹波很大；

4、D，整流二极管，如果断路，输出电压0V；如果短路，输出不稳定。

原理设计分析：

分析发现，输出电压与PWM的占空比有关，占空比越大，开关管截至时间越长，Vi与L的感应电压供电的时间越长，输出电压越高， 公式如下： Vo = Vi*(1/(1-D))。   Dmax = 0.9， Vomax = 10*Vi

PCB设计分析:

原则，使环路最小，环路越小，辐射越小【来源：CONNECT FUTURE】

在一些混合动力电动汽车（HEV）应用中，升压DC-DC转换器用于将电池的电压从202 V升压至500 V。混合动力汽车（HEV）应用中的电池电压受到串联电池单元数量的限制。由于空间有限，电池串联的电池数量有限，因此输出电压也受到限制。使用升压DC-DC转换器，电池电压可以增加到电机所需的更高电压。



在降压DC-DC转换器中，输出电压始终小于输入电压。另一方面，在DC-DC升压转换器中，输出电压始终大于输入电压。降压-升压型 DC-DC 转换器将两者结合在一起，其输出电压可以高于和降低输入电压，具体取决于施加到开关上的占空比。

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对于DC-DC转换器的基本概述很准确，其作为电气系统中的重要设备，实现了直流电压的电平转换。关于线性稳压的特点描述也专业且准确。线性稳压电路结构简单，元件需求少，适用于输入和输出压差大的场景。然而，其效率和功耗方面的特点需要注意，效率主要取决于输出电压大小。在应用中需综合考虑其性能和成本，选择适合的DC-DC转换器以满足系统需求。在选择和应用过程中，还需关注其稳定性、纹波等因素。