DCDC降压电源如何实现将高电压转换为低电压

[导读]DCDC降压电源的工作原理‌基于开关电源技术，主要通过开关器件(如MOSFET)的导通和截止来控制输入电源的电流，从而实现将高电压转换为低电压。

‌DCDC降压电源的工作原理‌基于开关电源技术，主要通过开关器件(如MOSFET)的导通和截止来控制输入电源的电流，从而实现将高电压转换为低电压。DCDC降压电源的核心组件包括开关管、电感、续流二极管和滤波电容等。

工作原理

‌开关管导通‌：当开关管导通时，输入电源Vin的电流通过开关管流向负载RL，同时给电感L和电容C充电。此时，电感两端的电压保持不变，电流呈线性上升‌12。

‌开关管截止‌：当开关管截止时，电感通过续流二极管继续导电，电流通过二极管流向负载RL，同时电感放电。此时，电感两端的电压反向，电流呈线性下降‌12。

‌周期性开关‌：开关管周期性地导通和截止，电感在充电和放电过程中储存和释放能量，从而在负载RL上产生所需的低压直流电。通过控制开关管的导通时间(占空比)，可以调节输出电压的大小‌12。

关键组件及其作用

‌开关管‌：控制电流的通断，实现电压的转换。

‌电感‌：储存和释放能量，抑制电流变化。

‌续流二极管‌：在开关管截止时提供电流回路，保证电感放电。

‌滤波电容‌：平滑输出电压，提供稳定的直流电。

应用场景

DCDC降压电源广泛应用于各种需要电压转换的场合，如：

‌汽车电子‌：将汽车电瓶的12V直流电转换为5V或3.3V等低电压，为车载电子设备供电。

‌通信设备‌：在移动通信设备中，将外部电源的电压转换为适合内部电路工作的电压。

‌工业控制‌：在工业控制系统中，提供稳定的直流电源，确保设备的稳定运行‌3。

1.双开关型升-降压

升-降压型一般有两种拓扑：双开关型(图5-1)和四开关型(图5-2)，从双开关型拓扑结构可以看到，其和反相型DC-DC结构一样。这主要涉及到理解方式：当不关注反相这个属性时(负电压)，取Vout绝对值：

当D=0.5时，Vout=Vin;当D<0.5时，Vout0.5时，Vout>Vin，这样既可以实现升压也可以实现降压。在这种拓扑中，输入电流和输出电流都已被执行“斩波”，也就是说这些电流之间是不连续的，而且转换时间非常短(电容补充电流)。相关波形回看DC-DC-4：反相型的工作原理，相比普通升压转换器，生成的输出电压中所含的电压尖峰可能会更多。对于这些问题，可以通过适当大小的输出电容器或后置稳压滤波器来解决。

图5-1：双开关型升-降压拓扑

开关管导通，S2截止，电感器储能，电流回路为：输入VIN--->S1--->电感器L

开关管关断，S2导通，电感器释能，电流回路为：电感器L--->电容Cout--->负载RL--->S2

2.四开关型升-降压

四开关型就是纯粹升压和降压型的缝合体，当S2保持关闭不导通时，就变为降压拓扑(DC-DC-2：降压型的工作原理)，此时S1为上管;当S1保持打开导通时，就变为升压拓扑(DC-DC-3：升压型的工作原理)，此时S2变为下管。(肖特基二极管做续流元件已经属于比较落后的技术，后面的模型以及讲解均以MOS来作续流元件，即同步模式)

图5-2：四开关型升-降压拓扑

当转换器在输入电压处于输出电压范围内的传输区域中工作时，处理这些情况有两种方式：或是降压和升压级同时有效，或是开关循环在降压和升压级之间交替，每个通常以正常开关频率的一半运行。交替方式可以在输出端引起次谐波噪声，而与常规降压或升压工作相比，输出电压精度可能不那么精确，但与同时有效方式相比，因为减少了开关损耗，转换器将更加有效。

根据输入电压和设置输出的电阻值，器件可以在降压模式、降压-升压模式和升压模式之间平稳转换。当输入电压大于输出电压时，工作在降压模式，当输入电压小于输出电压时工作在升压模式。当输入电压接近输出电压时，交替地以一周期降压和一周期升压模式操作。开关频率一般由外部电阻器设置。为了减少高功率条件下的开关功率损耗，建议将开关频率设置在500kHz以下。如果系统需要高于500kHz的较高开关频率，建议设置较低的开关电流限制，以获得更好的热性能。

降压-升压拓扑结构在输入和输出端都有脉冲电流，因为任一方向都没有LC滤波器。对于降压-升压转换器，可以分别使用降压和升压功率级计算。具有两个开关的降压-升压转换器适用于50W至100W之间的功率范围(双开关型)，同步整流功率可达400W(四开关型)。建议使用与未组合降压和升压功率级相同的电流限制的同步整流器。另外需要为升压级设计降压-升压转换器的补偿网络，因为RHPZ(右半平面零点问题)会限制稳压器带宽。