DC/DC变换器概念、原理及分类

DC/DC变换器表示在直流电路中将一个电压值变换为另一个电压值的电能装置，新能源汽车DC/DC变换器一半分为升压型、降压型和稳压型三种类型，其中降压型几乎每辆新能源汽车都会搭载，主要作用是将动力电池高压变换为低压向蓄电池充电并能够给整车低压电气设备供电。

二、DC/DC变换器概念、原理及分类

直流-直流转换器(DC-to-DC converter)也称为DC-DC转换器，是电能转换的电路或是机电设备，可以将直流(DC)电源转换为不同电压的直流(或近似直流)电源。其功率范围可以从很小(小的电池)到非常大(高压电源转换)。有些直流-直流转换器的输出电压和输入电压有相同的参考点，而有些直流-直流转换器的输出电压是和输入电压隔离。按照电能转换的类别和用途可将交流和直流转换电路可分为五种转换形式：1.直流转直流(DC/DC)转换器，是对不同电压值得同相电源进行转换。2.低压差线性稳压器(LDO)，是一种直流电压转换为比输入稍微低一些的直流电压的转换器，是一种线性(无噪声)的直流转换器。3.整流器电路，是将交流电压转换成为直流电压的转换器。4.逆变器，是将直流电压通过周期程序控制转换成交流电的变换器。5.交流电变压器，是将一定频率的交流电转换成峰值不同交流电的变换器。DC/DC指的是将半导体功率器件当做开关，实现不稳定的直流电压变为稳定值，通常我们将其称为开关转换器或者直流转换器。电容和电感式是开关转换器的两种类型。通常用到的电容式转换器主要是指电荷泵(Charge Pump)，电路是利用电容式储能原件的开关实现升压和降压的功能;电感式开关转换器主要包括升压型(Boost)转换器、降压型(Buck)转换器和升压降压型(Buck-Boost)转换器。

DC/DC开关电源转换器包括开关功率级部分和控制部分。功率开关管通常分为同步整流和非同步整流，开关管本身是一种允许通过大电流的功率管，传统的转换器是非同步的电路，是用一个功率MOS和一个续流二极曾来实现电压转换的。通常现在是用两个功率MOS作为开关管和续流管，由于开关MOS压降小、体积小，可提高效率的同时节省芯片面积，使集成度提高，成本降低;电路中的储能器件包括电感和电容;滤波电路指输入输出为了稳压而设计的滤波器;控制电路是根据输出反馈电压和电感的采样电流来决定开关管的导通时间，通过调节输出电压的大小实现正确的转换。

三、DC/DC在新能源汽车中的应用

以DC/DC在新能源汽车中最常用的降压型转换器体现形式为例，降压型转换器的控制技术分为三大类：电压模式控制、电流模式控制和基于纹波控制模式。由于电压模式和电流模式的开关频率固定，其轻载效率低下，并且它们的瞬态响应速度受限制于电路带宽。相对而言，基于纹波控制模式不需要复杂的补偿网络来保证环路的稳定性，并且对输出电压或者电感电流的纹波实时监测，实现了快速的瞬态响应。此外，简单的控制结构能够消耗更少的静态电流，能够有效提升转换器的转换效率。在基于纹波控制模式中，自适应导通时间控制模式不但具有快速瞬态响应和设计简单的特点，而且可以实现宽负载下高转换效率。(一)DC/DC转换器的工作模式降压型转换器的简要拓扑结构如下图所示，在开关S1闭合后，输入源VIN的能量将流过电感L，并将能量储存起来。由于续流二极管D1存在单向导电性，当开关断开后，储存在电感中的能量将传输到输出电容和负载上，并且维持电感电流连续。根据S1的通断情况和电感电流IL存在与否，稳态下，转换器的基本工作模式主要分为三种：CCM、DCM和临界导通模式(CRM)。

在CCM下，IL始终保持大于零的状态，因此电路工作分为两个阶段：第一阶段，S1闭合，此时开关节点电压VSW 连接至VIN，IL线性上升，根据恒压电感方程可知在导通时间DT期间内，电感电流增量(ΔIL)S1,ON为：

其中，T为转换器开关周期，D为转换器的占空比，即S1 导通时间与T的比值。第二阶段：S1断开，此时VSW连接至地端，IL线性下降，在S1断开期间，由于IL不能突变，因此IL将会从D1上流过，因此在关断时间(1-D)T期间内，电感电流减量(ΔIL)S1,OFF为：

在稳态下，根据伏秒定律，即导通阶段的电感两端电压差与导通时间的乘积与关断期间的电感两端电压差与关断时间的乘积相等，因此可得：

从上式可以看出，在降压型转换器中只能实现D≤1的电压转换，也就是说VIN 必须要大于等于输出电压VOUT。其次，在CCM 下，VOUT只取决于VIN，若VIN发生变化，通过调整占空比D的大小可以稳定VOUT不变。

IL 被认为是一直大于零的，但是在负载电流IO 较低情况下，IL 在第二阶段会下降至零值，即电感中正向电流被消耗殆尽。此时由于续流二极管具有单向导电性，因此系统进入了DCM。DCM下转换器工作分为三个阶段：第一阶段(0-DT)，S1 闭合，IL 线性上升;第二阶段(DT-D2T)，S1 断开，IL 线性下降;第三阶段(D2T-D3T)，IL 下降至零并保持该状态。由于D、D2 和D3 分别为IL 上升、下降和为零的时间长度与T 的比值，所以D + D2 + D3 =1。

(二)降压型转换器控制模式转换器的控制模式通常分为两大类：脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)。通常PWM 控制模式主要分为电压模式和电流模模式。此外，基于纹波控制是PFM 控制模式最常见的控制方案，其主要分为迟滞控制、关断时间控制和导通时间控制。在基于纹波控制技术中，导通时间控制不仅具有结构简单，无需任何复杂的补偿网络和成本低等优点，而且当在轻负载下工作时，开关频率会根据输出负载情况自动降低，以节省大量开关功率损耗，从而在轻负载下为电池供电的电子设备提供高转换效率，因此导通时间控制的拓扑结构已成为许多电源管理设计的首选。不同控制模式比较表。

四、DC/DC发展趋势

随着电源管理类芯片日益成熟，半导体工艺水平的不断提高，电子设计软件的不断智能化，便携式产品的功能也越来越多。未来的发展主要有以下趋势：

1.集成度越来越高。现在电源类芯片，特别是开关电源芯片，结合其他芯片多种电路功能，可以让外围电路设计更简单，也简化了焊接、连线等步骤。对于多功能、多路输出的DC/DC，内部电路在抗干扰性方面需要做更多工作。

2.大负载应用。从小功率的便携式设备，到新型充电设备，转换器工作的负载电流也在日益增大。

3.可规划的内部控制系统。传统的IC设计将功率传递作为设计的重点，这对于系统的供电效率控制是不够的。这要求电路对电池电量精确地测量，根据输入电压的不同来决定工作模式和可W 关用的不需要的模块，合理分配功率供给。

4.开关电源多路输出功能是目标之一。在很多电器中都会有不同的供电要求，所需要多种电压值。具有多路输出、独立开关、良好稳定性的开关电源逐渐成为未来电源管理类芯片的主流。

5.成本的最小化。便携式设备已经逐渐成为了生活所必须的产品。同样功能的设备体积越来越小，每个消费类电子设备中都需要一个或多个DC/DC转换器。在保证性能的前提下能够将每颗DC/DC的成本降低。

6.DC/DC工作过程中频率变化范围越来越大。在整体电路中，PCB更多的成本体现在板子面积和外围器件上，随着工作频率的升高，可以选择成本更低的电感、电容、变压器等外围元器件，从而减小输出纹波、抑制干扰、増大单位増益带宽来提高抗干扰能力。

7.提高DC/DC的效率和寿命。在锂电池发展到瓶颈期时，单位体积大小的电池容量己经固定，所以提高工作效率、延长电池的寿命成为推动电源管理逐渐发展的要素之一。在便携式设备中电源管理技术除了要减小自身的工作损耗，还应该减少一些不必要的电池能量的浪费、可以将尽可能多的能量用于有效的负载中。