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降壓型非隔離DC-DC轉換器的工作原理

發布時間:2023-11-28 09:03:04     瀏覽:1006

  降壓型DC-DC轉換器是一種常用的電子器件,用于將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓。其工作原理如下:

  1、輸入電壓通過一個開關(通常是一個功率MOSFET)連接到一個電感和一個濾波電容。開關周期性地打開和關閉,控制能量的流動。

  2、當開關關閉時,輸入電壓施加在電感上,使電流以指數上升的方式增加。這存儲了能量在電感中。

  3、當開關打開時,電感中的磁場崩塌,產生一個反向電壓。根據Lenz定律,這個反向電壓使電流繼續流動,但通過一個二極管,稱為自由輪二極管。

  4、輸出電壓被取樣在輸出端,通常通過一個電壓反饋回路來保持穩定。如果輸出電壓低于設定值,控制閉環將調整開關的占空比增加,以增加輸出電壓。

5、輸出電壓經過一個濾波電容,以減小輸出紋波。然后通過輸出線路提供給負載。

需要注意的是,以上描述的是基本的降壓型DC-DC轉換器工作原理。實際的轉換器電路可能包括其他元件,例如補償網絡、穩壓器等,以提高穩定性和效率。


  降壓型DC-DC轉換器電路

  Fig.1是同步整流方式的降壓型DC-DC轉換器的電路。

  基本電路結構是在負責開關的MOSFET(Q1)之后,并聯連接整流用MOSFET(Q2)和輸出平滑電容器(C2),串聯連接線圈與MOSFET(Q1)。

  Q1與Q2由IC輸出的控制信號控制。

  同步整流方式的降壓型DC-DC轉換器的電路


  MOSFET(Q1)導通

  Fig.2表示開關元件Q1導通的狀態。

  當Q1導通時,電流從輸入Vin流過線圈L并對輸出平滑電容器C2充電,提供輸出電流Iout。

  此時線圈L上流過的電流產生磁場,并將電能轉換成磁能蓄積儲存。

開關元件Q1導通的狀態


  Q1導通的ton期間,在線圈L上施加輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的電壓,以輸出電流Iout為中心的紋波電流為:image.png

  ΔIL:L上流過的電流變化量(紋波電流)[A]

  Vin:輸入電壓[V]

  Vout:輸出電壓[V]

  L:線圈電感值[H]

  ton:Q1導通時間[s]

image.png


  MOSFET(Q2)導通

  Fig.3表示開關元件Q2導通的狀態。

  Q1關斷后Q2導通,L上儲存的能量向輸出側釋放。

MOSFET(Q2)導通狀態


  在Q1關斷的toff期間,為了維持線圈L上流動的電流,經由Q2向負載釋放電流。此toff期間的紋波電流為:image.png

  ΔIL:  L上流過的電流變化量(紋波電流)[A]

  Vout:  輸出電壓[V]

  L:  線圈電感值[H]

  toff:  Q1關斷時間[s]

image.png

 

  占空比

  由于穩態下的Q1導通公式(1)與Q2導通公式(2)的ΔIL相等,因此輸入輸出電壓的關系為:image.png

  ton/(ton + toff)為Q1導通的時間比,被稱為占空比(duty cycle)。

  Vout取決于占空比,通過控制占空比來控制Vout。  

image.pngimage.png

設(ton + toff)為開關周期T[s],此時的開關頻率為fsw[Hz],將公式(1)與公式(3)整理為與fsw的關系就是:image.png

若Vin及Vout已確定,那么輸出的紋波電流則由L與fsw決定。

如果紋波電流大,則輸出紋波電壓變大。

此外,也容易使線圈飽和,從而造成鐵芯損耗增大等影響。

為了解決此類問題,需要提高開關頻率,或者增加線圈的圈數來提高電感值。


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