斩波电路之DC-DC转换器的设计应用

DCDC转换器的工作原理是将直流电压或电流转换成高频方波电压或电流，然后通过整流将其平滑转换为直流电压输出。

DC-DC转换器通常由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管和电容器组成。这种转换器可以分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器和升降压型DC/DC转换器。根据需要，可以采用不同的控制方式，如PWM控制型，其效率高且具有良好的输出电压纹波和噪声，而PFM控制型则在长时间使用时，尤其是小负载时具有较低的能耗。目前，DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。在电路类型分类上，它属于斩波电路。

DC-DC转换器的作用

DC-DC转换器的作用是将输入的直流电压转换成所需的固定输出电压。通过控制芯片、电感线圈、二极管、三极管和电容器等元件的组合，DC-DC转换器可以实现不同类型的转换，如升压型、降压型和升降压型。这些转换器在不同应用中具有不同的优势，如PWM控制型具有高效率和低噪声，而PFM控制型则在小负载时具有较低的能耗。DC-DC转换器在现代电子设备中扮演着重要角色，例如手机、MP3、数码相机和便携式媒体播放器等。

DC-DC转换器的电路类型

DC-DC转换器可以分为三类：升压型、降压型和升降压型。升压型DC/DC转换器的输入电压低于输出电压，通过增加电感和开关来实现。降压型DC/DC转换器的输入电压高于输出电压，需要使用电感和开关来降低输出电压。升降压型DC/DC转换器则可以根据负载要求实现输入电压的升降。在电路类型分类上，DC-DC转换器属于斩波电路。

DC-DC转换器的应用

DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中，因为这些设备需要稳定的直流电压来运行。在这些设备中，DC-DC转换器可以将电源适配器的输出电压转换为所需的电压，确保设备的正常工作。此外，DC-DC转换器还可以用于汽车电子设备、工业控制系统和太阳能电池板等应用中，以提供稳定的直流电源。

由于电力电子、数字控制及电池技术的进步，促使再生能源、储能系统及新能源应用等产业的蓬勃发展。例如 : 电动汽车的电能系统、对电力系统用电进行削峰填谷和调节电力的储能系统、应急电源及可携式行动电源等。这些设备都需要双向电力转换系统在电力系统与电池系统间进行电力交换。

双向电力转换架构众多，可以分为 Bidirectional AC-DC & Bidirectional DC-DC Converter。Bidirectional AC-DC Converter 依功率大小应用有单相与三相架构。本文将针对常见之单相双向 AC-DC 转换架构及工作方式进行介绍。

2.单相双向 AC-DC Converter 架构介绍

单相 PFC 与单相 Inverter 的架构有很多种，双向功能需同时包含 PFC ( AC-DC ) 与 Inverter ( DC-AC)的功能，目前最常使用的硬体架构为 Full Bridge 架构。

2.1 单相 AC-DC Converter 介绍

当作为 AC-DC Converter ( PFC ) 使用时，依动作方式可以分为全桥整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式。

全桥整流 PFC 模式的动作方式如图 3 所示，由 Q1、Q4 与 Q2、Q3 两对开关交互高频切换。AC input 正半周时，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感储能区间，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :

AC input 负半周时，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感储能区间，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时 VAC 为负值 ) :

Totem Pole PFC 模式为近年最常用的 Bridgeless PFC 架构，动作方式如下图 4 所示，控制 2 个高频切换开关 Q1 与 Q2 及 2 个低频整流开关 Q3 与 Q4。AC input 正半周时，Q2、Q4 导通及 Q1、Q3 关闭为电感储能区间，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :

AC input 负半周时，Q1、Q3 导通及 Q2、Q4 关闭为电感储能区间，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时VAC 为负值 ) :

由以上全桥整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式动作分析可以发现以下 2 点 :

( 1 ) 全桥整流 PFC 模式是 4 个开关都是高频切换，Totem Pole PFC 模式只有 2 个开关是高频切换，因此 Totem Pole PFC 模式切换损失较全桥整流 PFC 模式小。

( 2 ) 全桥整流 PFC 模式电感储能时的电压是 |VAC|+VDC ，Totem Pole PFC 模式电感储能时的电压是 VAC。以相同感量比较，全桥整流 PFC 模式电感储能电流斜率较大。

( 3 ) 全桥整流 PFC 模式 AC input 的负端 ( 连接到 Q3、Q4 中间 )，以高频切换频率在 VDC 的正与负间跳动，故 EMI 较差。

2.2 单相 DC-AC Inverter 介绍

相较于 AC-DC PFC 动作方式，DC-AC inverter 依动作方式亦可分为 Bipolar PWM 与 Unipolar PWM 两种。Bipolar PWM 动作方式及波形动作方式为控制 Q1、Q4 与 Q2、Q3 开关交互高频切换，经电感与电容滤波输出交流电流与电压。由于 VAB 电压在一个切换周期由 +VDC 到 -VDC 间变化，故称为Bipolar PWM 模式。

AC output 正半周时，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感储能区间，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :

AC output 负半周时，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感储能区间，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时 VAC 为负值 ) :

Unipolar PWM 动作方式如下图 7 所示，控制 2 个高频切换开关 Q1 与 Q2 及 2 个低频整流开关 Q3 与 Q4，经电感与电容滤波输出交流电流与电压。由于 VAB 电压在一个切换周期由 +VDC 到 0 ( AC 正半周 ) 及 0 到 -VDC 间 ( AC 负半周 ) 变化，故称为 Unipolar PWM 模式。

AC output 正半周时，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感储能区间，Q2、Q4 导通及 Q1、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :

AC output 负半周时，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感储能区间，Q1、Q3 导通及 Q2、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时 VAC 为负值 ) :

由以上 Bipolar PWM DC-AC inverter 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 模式动作分析可以发现以下2点 :

( 1 ) Bipolar PWM 模式是4个开关都是高频切换，Unipolar PWM 模式只有 2 个开关是高频切换，因此 Unipolar PWM 模式切换损失较 Bipolar PWM DC-AC inverter 小。

( 2 ) Bipolar PWM 模式电感泄能时的电感电压压是 |VAC|+VDC，Unipolar PWM 模式电感泄能时的电感电压是 VAC。以相同感量比较，Bipolar PWM 模式电感泄能电流斜率较大。

3.结论

单相双向 AC-DC 转换架构功能包含 AC-DC converter 及 DC-AC inverter。依控制动作方式不同 AC-DC converter 可以分为全桥整流 PFC 及 Totem Pole PFC ;DC-AC inverter 可以分为Bipolar PWM 及 Unipolar PWM 两种方法。全桥整流 PFC 及 Bipolar PWM DC-AC inverter 之 PWM 模组动作较简单，但切换损失较大，储能电感斜率也较大。

Totem Pole PFC 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 因只有2个高频切换开关，效率较高。近年因第三类半导体 SiC ( 注 1 ) & GaN 高频且低切换损失的特性，常用于 2 个高频切换开关，使得效率进一步得到提升。

因双向架构控制较复杂，需要同时拥有 AC-DC converter 及 DC-AC inverter 控制器，并判断决定正向或反向功率转换控制，一般没有 Analog Control IC 可以使用，必须使用 Digital Controller ( 注 2 ) 来实现复杂的控制系统。

DC-DC电路设计注意事项

①输入、输出电压范围：确定输入和输出电压范围，确保选择的DC-DC电源芯片能符合要求。还要考虑系统对DCDC电源输出纹波的要求。

②效率、功率损耗：高效率的DC-DC转换器可以减少功率损耗和热量。所以要注意散热设计。

③输出电流、负载能力：确保DC-DC电路能够稳定地提供系统所需的电流，并且能够根据负载调整输出能力。

④PCB布局：良好的PCB布局设计需要减少电磁干扰、噪声。注意地线与信号线分离，提高电磁兼容性。

⑤环境、温度条件：考虑到DC-DC电路的工作温度范围、环境条件，选择适合的散热设计、过孔、散热片。确保DC-DC电路能够在系统所需的温度和环境条件下稳定工作。

⑥符合相关标准、规范：遵循安全标准、EMC规范，保证DC-DC电源电路设计符合法规要求。

综上，DC-DC电源电路设计需要考虑到输入、输出电压范围、效率、功耗、输出电流和带动负载的能力、纹波和噪声、稳定性和反馈控制、输入输出保护、PCB布局和电磁兼容性、温度和环境条件、可靠性和寿命等因素。