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        2. 電源IC降壓升壓和降壓DC-DC轉換器簡介

          降壓轉換器(降壓轉換器)是一種DC-DC電源IC轉換器,用于降低從電源到負載的電壓(在消耗較小的平均電流時)。升壓轉換器或直流升壓斬波器是直流升壓轉換器的另一個名稱。降壓-升壓轉換器是一種DC-DC轉換器,其輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。本文主要介紹這三種轉換器及其工作原理。

          升壓轉換器和降壓轉換器

          升壓轉換器和降壓轉換器:電力電子

           

          什么是降壓轉換器?

          降壓轉換器(降壓轉換器)是一種DC-DC電源IC轉換器,用于降低從電源到負載的電壓(在消耗較小的平均電流時)。它是一種開關電源(SMPS),具有至少兩個半導體(一個二極管和一個晶體管,盡管現代降壓轉換器通常使用第二個晶體管而不是二極管進行同步整流)和至少一個儲能元件,例如電容,電感或兩者的組合。

          通常將由電容器(通常與電感器配對)組成的濾波器添加到此類轉換器的輸出(負載側濾波器)和輸入(電源側濾波器)中,以降低電壓紋波。

          作為DC-DC轉換器,開關轉換器(如降壓轉換器)比線性穩壓器效率更高。線性穩壓器是不太復雜的電路,通過以熱量形式耗散能量來降低電壓。但是,輸出電流不會增加。降壓轉換器效率極高(通常大于90%),非常適合將計算機的主(大容量)電源電壓(約12 V)轉換為USB,DRAM和CPU所需的較低電壓(5V,3.3V或1.8V,請參閱PSU)。

          最常用的DC/DC轉換器之一是降壓DC/DC轉換器,也稱為降壓轉換器。降壓轉換器可將較大的直流電壓降低到較低的直流值,例如從 24V 降至 12V 或 5V。降壓轉換器提供廣泛的應用、低損耗和高效率。

           

          降壓轉換器如何工作

          在脈寬調制(PWM)信號控制下控制電源開關的管中,降壓DC/DC轉換器的VT交替打開和關閉(也稱為截止)。PWM類似于以快速關閉和打開的機械開關。圖1描述了其工作原理。圖 1-1 和圖 1-2 分別描述了 VT 打開和關閉時的當前路徑。為了使電路分析更容易,該圖用開關S的關閉和打開取代了VT的打開和關閉。當VT被激活(即S閉合)時,續流二極管VD被禁用,輸入電壓UI被施加到儲能電感L的左端,產生(UI-UO)的電壓。電感器中存儲的能量隨著流經L的電流IL的增加而線性增加。電感器的感應電動勢為左“+”,右“-”。在此期間,輸入電流(即電感電流I L)除了為負載供電外,還為濾波電容C充電。電容充電電流I 1與負載R L電流I O之和為電感電流I L。

          DC/DC轉換器工作原理

          圖1Busk DC/DC轉換器工作原理

           

          如圖1-2所示,當VT關閉(即S被拔出)時,電感L與U I分離。由于電感器中的電流不能突然波動,因此在L上產生左“-”和右“+”的感應電壓,以保持通過電感器的電流I L恒定。續流二極管VD此時導通,將存儲在L中的磁場能量轉換為電能,電能繼續通過VD形成的環路為負載供電,而電感電流I L線性下降。此時,濾波電容C的放電電流I 2疊加在電感電流I L上,向負載R L供電。電感電流I L和電容放電電流I 2的總和為負載電流I O。

           

          降壓轉換器是一種正激式轉換器,當電源開關接通時,它將能量發送到負載。

          圖2-1描述了降壓型DC/DC轉換器的電壓和電流波形。PWM是脈寬調制波形,t ON是電源開關VT的導通時間,t OFF是電源開關VT的導通時間。開關時間 T 等于 t ON 和 t OFF 之和,或 T = t ON + t OFF。占空比是 t ON 與 T 的比率,用字母“D”表示,如 D=t ON /T。

          降壓型DC/DC轉換器的電壓和電流波形

          圖2-1降壓型DC/DC轉換器的電壓和電流波形

           

          電源開關管VT的發射極電壓波形為U E,集電極電流波形為I C。續流二極管VD的電流波形由I F表示。濾波電感器的電流波形為I L。當電源開關管VT導通時,發射極電壓U E等于輸入電壓U I,當VT關閉時,發射極電壓U E為零。電感電流在電源開關的 VT 導通時間內線性增加,在 VT 關斷時間內線性下降。VT的集電極電流I C和續流二極管VD的電流I F結合產生電感電流I L。

          濾波器電感電流I L的平均值等于DC/DC轉換器的輸出電流I O。電感紋波電流是電感電流波形中峰值和谷值之差。為了降低輸出電流紋波,L應足夠大,以允許DC/DC轉換器在連續模式下工作。紋波電流通常應為額定輸出電流的20%左右。

           

          以下是降壓型 DC/DC 轉換器的特性

          1. 1. U O 為輸出電壓。
          2. 2.輸出電壓U O和輸入電壓U I的極性相同。
          3. 3.電源開關管VT可以處理的最大電壓為U CE = U I。
          4. 4.電源開關管集電極VT=I O的最大電流I C。
          5. 5. 續流二極管的平均電流 VD I F =(1-D)I O。
          6. 6. U R =U I 是續流二極管 VD 承載的反向電壓。
          7. 7. 降壓分立元件和PWM控制器可用于DC/DC轉換器,也可以使用集成電路器件。LM2576、LM2596 和 L4960 是常見集成電路產品的示例。LM2576 外圍電路是其中最簡單的。

           

          什么是升壓轉換器?

          升壓轉換器或直流升壓斬波器是直流升壓轉換器的另一個名稱。它是一種DC-DC轉換器,可以升壓,并且具有比輸入(電源)電壓更大的輸出(負載)電壓。包含至少兩個半導體元件(二極管和晶體管)和至少一個儲能元件的開關電源稱為升壓轉換器(電感器)。由電容器(偶爾還有電感器)構成的濾波器位于輸入端和輸出端,以減少電壓紋波。它用于各種應用,包括汽車應用、功率放大器應用、自適應控制應用、電池電源系統、消費電子、通信應用、電池充電電路、加熱器和焊機、直流電機驅動器、功率因數校正電路和分布式電源架構系統。

           


          降壓轉換器如何工作

          控制電源開關的管 脈寬調制(PWM)信號控制升壓DC/DC轉換器的VT,類似于高速關閉和打開的機械開關。圖3描述了它的工作原理。圖 3-1 和圖 3-2 分別描繪了 VT 打開和關閉時的當前路由。該圖描述了開關S的閉合和打開,以幫助電路分析。它取代了 VT 的開/關開關。

          當VT接通(即S閉合)時,輸入電壓U I直接施加到儲能電感L的兩端,續流二極管VD關斷,如圖3-1所示。由于U I的電壓施加到L上,因此電感器的電流I L線性增加,電感器中存儲的能量也是如此。電感器的感應電動勢為左“+”,右“-”。在此期間,輸入電流提供的能量(即電感電流I L)作為磁場能量存儲在儲能電感L中。

          濾波電容C同時放電,為負載R L提供電流I O,電容C的放電電流I 1等于負載電流I O。

          升壓DC/DC轉換器工作原理

          圖3升壓DC/DC轉換器工作原理

           

          由于當VT關閉(即S斷開)時電感電流不會突然變化,因此在L上產生左“-”和右“+”的感應電壓以保持電感,如圖3-2所示。目前的IL保持不變。此時續流二極管VD導通,L上的感應電動勢與U I串聯,將L中儲存的磁場能量轉換為電能,電能以大于U I的電壓向負載提供電流,并為輸出濾波電容C充電。電容充電電流I2和負載電流I O的總和為電感電流I L。

           

          當電源開關關閉時,升壓轉換器(也稱為反激式轉換器)向負載提供能量。

          圖4描述了升壓DC/DC轉換器的電壓和電流波形。PWM是脈寬調制波形,t ON是電源開關VT的導通時間,t OFF是電源開關VT的導通時間。開關階段由字母 T 表示。電源開關管VT的集電極電壓波形用U C表示。VT的集電極電流波形為I C。升壓二極管VD的電流波形為I F,電感器的電流波形為I L。當電源開關管VT導通時,集電極電壓U C為零;當電源開關管VT關閉時,集電極電壓U C等于輸出電壓U O。電感電流在電源開關的 VT 導通時間內線性增加,在 VT 關斷時間內線性下降。VT的集電極電流I C和升壓二極管VD的電流I F結合在一起,產生電感電流I L。

          升壓DC/DC轉換器的電壓和電流波形

          圖4升壓DC/DC轉換器的電壓和電流波形

           

          以下是升壓DC/DC轉換器的特性。

          1.之所以稱為升壓轉換器,是因為輸出電壓為U O U I.U O =U I/(1-D)是U O與U I的關系,輸出電壓可以通過調整占空比D來調節。

          2.輸出電壓U O和輸入電壓U I的極性相同。

          3.電源開關管VT能承受的最高電壓為U CE=U O。

          4. VT I C =I O / VT I C =I O / VT I C =I O / VT I C =I O / VT I C =I O (1-D)。

          5. VD I F = I O 是升壓二極管的平均電流。

          6. 升壓二極管VD攜帶反向電壓U R = U O。

           

           

          什么是降壓-升壓轉換器

          降壓-升壓轉換器是一種DC-DC轉換器電源IC,其輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。降壓-升壓轉換器與反激式轉換器類似,只是它使用單個電感器,而不是變壓器。

          降壓-升壓轉換器是兩種具有不同拓撲結構的電路,它們都具有寬輸出電壓范圍,范圍從遠高于輸出電壓的電壓(絕對值)到接近零的電壓。反向架構是一種開關電源,其電路類似于降壓轉換器或升壓轉換器,輸出電壓極性與輸入電壓相反。開關電源晶體的占空比可用于改變輸出電壓。另一種是結合了降壓和升壓轉換器的混合架構。

          輸出電壓與輸入電壓具有相同的電極性,并且可能小于或大于輸入值。這種同相轉換器可以采用開關代替二極管,并且可以在降壓和升壓轉換器部分之間共享一個電感器。四開關降壓-升壓轉換器也稱為四開關降壓-升壓轉換器??梢允褂枚鄠€電感器,但與SEPIC轉換器或uk轉換器一樣,只使用一個開關。

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

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          創建時間:2022-05-05 16:36
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