DC-DC转换原理详解

在电子电路中，将输入的直流电压转换为电路中所需要的直流电压的电路被称为DC-DC电源电路。例如我们的无线模块一般都是5V转3.3V。DC-DC电路通常可以分为升压型、降压型、升降压型，一般由电子开关器件、电感、电容组成。DC-DC电路主要是通过利用电子开关器件周期性的导通和断开，从而实现输出电压可调节和自动稳压的功能。

直流—直流变换器(DC-DC)是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为−48V，由于在通信系统中仍存在−24V(通信设备)及+12V、+5V(集成电路)的工作电源，因此，有必要将−48V基础电源通过直流—直流变换器变换到相应电压种类的直流电源，以供实际使用。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制。

一. 简介

A DC-DC converter is an electrical system (device) which converts direct current (DC) sources from one voltage level to another.

DC-DC指直流转直流电源(Direct Current)，DC-DC转换器以一个直流输入电压作为输入，输出一个不同的直流电压。输出直流电压可高于或低于直流输入电压。

DC-DC转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，三极管，电容器构成。在讨论DC-DC转换器的性能时，如果单针对控制芯片，是不能判断其优劣的。其外围电路的元器件特性，和基板的布线方式等，能改变电源电路的性能，因此，应进行综合判断。

二. 特点

与线性稳压器的LDO相比较，效率高是DCDC的显著优势。通常效率在70%以上，效率高的可达到95%以上。适应电压范围宽。三. 分类

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依赖电流源工作的晶体管消耗的功率要小得多。当晶体管传导高电流时，其电压降非常低，而当晶体管传导高电压降时，其电流几乎为零。因此，开关模式变换器的导通损耗低，效率高，通常在80%或90%以上。但在高频时，开关损耗会降低效率，开关频率越高，功率越高。

1. Buck DC-DC converter

降压型DC/DC转换器，一种降低电压输出，同时增加输出电流的DC-DC功率转换器，至少有四部分组成：

用作开关元件的功率晶体管(S)整流二极管(D)作为储能元件的电感器(L)滤波电容(C)其中输入、输出、电流、功率的关系为：

在汽车电子应用中，降压型DC-DC转换器用于将主电池的高压(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)。2. Boost DC-DC converter

升压型DC/DC转换器，是一种增加输出电压，同时减少输出电流的DC-DC功率转换器。它包含与降压DC-DC转换器相同的组件，但排列在不同的拓扑结构中。

其中输入、输出、电流、功率的关系为：

在一些混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle , HEV)应用中，升压型DC-DC转换器用于将来自电池的电压从202 V升压到500 V。在混合动力汽车(HEV)应用中，电池的电压受到串联电池数量的限制。由于空间有限，电池的串联数量有限，因此输出电压也有限。使用升压DC-DC转换器，可以将电池电压提高到电机所需的更高电压。

3. Buck-Boost DC-DC converter

四. BUCK电路工作原理

伏秒原则，又称伏秒平衡，是指开关电源稳定工作状态下，加在电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感两端电压乘以关断时间，或指在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。 在一个周期T 内， 电感电压对时间的积分为0，称为伏秒平衡原理。

1. 相关元器件

开关管：常见有三极管和MOS管，用于开关;

电感：通电时能量存储，关电时能量释放，这两个过程电感的正负极发生反向变化，流经电感的电流不能突变，只能逐步变大或变小;

电容：充放电;

二极管：单向导电;

2. 工作原理

开关(S)导通：输入电压加到电感端，二极管截止，电感储能。

开关(S)关闭：由于电感上的电流不能突变，电感中存储的能量向负载释放，二极管导通，电感电流通过二极管续流 。

DC-DC转换器的工作原理是通过调整直流电源电压，得到所需要的特定电压输出。这个过程主要通过控制电流或电流流向来实现电压转换。从输入到输出，电能通过开关管调节充电和放电，通过电容、电感、滤波电路等元件进行过滤和调整，从而得到所需的电压输出。DC-DC转换器的工作原理可分为以下几个步骤：12步骤一：输入电源将电压输出应用到变压器的一侧。

步骤二：当输入电源开启时，电流在变压器的一侧流入。在变压器中，电流经过磁场共振，将能量传递到另一个感应线圈。

步骤三：另一个感应线圈生成电流，并在输出接口产生电压。输出电压由所选电子元件(例如恒流源)的电阻和电压控制。

步骤四：输出电压传输回DC-DC变换器的输入以被检测。

这个过程一遍遍重复，直到所需的电压输出得到。DC-DC转换器的结构组成包括开关器件、电感、电容、控制电路等关键组件。当开关器件导通时，电感储存电能，断开时将电感储存的能量释放到输出电路，以提供所需的电压;电容用于平滑输出电压，减小电压脉动;控制电路负责监测输入/输出电压和负载条件，并调整开关器件的工作，以维持所需的输出电压水平。

1、降压型(BUCK)

Buck拓扑当Q1导通时，电源给电感充电，续流二极管处于截止状态，当Q1截止时，由于电感电流不能突变，电感电流逐渐减小，经过负载、续流二极管形成回路。输出电压VO=VIN×D(D为一个周期内电子开关导通的时间)。一般电感在SW引脚和输出之间的就是BUCK电路，见下图：

Buck电路2、升压型(BOOST)

当电子开关Q1导通时，电源给电感充电，在这个过程中，Q1导通阻抗很小，使得D1被短路，负载由电容C1提供能量，维持负载工作。

当电子开关Q1截止时，由于电感的电流不能突变，电感储存的能量和电源通过D1给电容充电和维持负载工作。

Boost拓扑一般没有电感在SW引脚和输出之间的就是Boost电路，见下图：

Boost电路3、升降压型(BUCK-BOOST)

Buck-Boost拓扑当开关Q1闭合时，电源向电感充电，这个过程中RL由C1电容自身提供能量。当Q1开关断开时，由于电感的电流不能突变，电感、C1、D1续流二极管组成闭合回路，电感储存的能量向C1充电和RL负载供电。