电子式直流DC/DC转换器为什么使用开关切换的技术

DC/DC转换器是开关电源芯片，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容(感)里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。开关电源可以用于升压和降压。输出电压通过分压电阻与基准电压作比较，从而形成一个反馈。当输出电压减小并低于基准电压，比较器输出发生翻转并触发振荡电路开始工作。振荡电路输出一个固定时间的脉冲，用于控制MOS管的导通。反之则MOS管将被截止。其中导通由振荡器控制，而截止时间取决于负载。按这样的方法，即可控制输出电压。

想要熟练的设计应用一些DC-DC功率IC的话掌握最基本的原理，那是无可厚非了，那我就开始班门弄斧了，如果有写的不对的地方，希望有专业的大佬给予指正。首先因为电感在电路中的连接方式导致DC-DC电路分三种基本类型，那就是我们熟知的《升压转换电路》《降压转换电路》《升降压转换电路》那哪种情况下会用到这三种电路中的哪一种呢?其实这个很简单，如果前端的输入电压比负载端的电压低的时候，我们需要驱动负载的话，那我们肯定选择升压电路，前端电路的输入电压比负载电压高的话，那就选择降压电路，也存在一种情况就是说如果前端输入电压是一个宽泛的范围，后端的负载电压也可能存在一个宽泛的范围，那可能有时候需要降压，有时候需要升压，那就当然选择升降压电路。我们以升压电路为例，说明一下原理：首先了解一下伏秒定律，电感复位 占空比这几个名词，因为这三种电路中存在一种必不可少的电子元器件 那就是电感。电感方程：V=L*△I/△t，电感的电压与电感值以及电流变化值，时间的关系式。

电荷泵是通过外部一个快速充电电容(Flying Capacitor)，内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压(或者降压)转换。最后以恒压输出。在芯片内部有负反馈电路，以保证输出电压的稳定，与基准电压VREF做比较，经过误差放大器A，来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达到稳定值。电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

电感会充电也会放电，那么电感在DC-DC转换电路中需要达到稳态，也就是电感复位这个词，稳态工作状态下的充电时电感电流(能量)增量必然会等于电感放电时的电感电流减量,△Ion=△Ioff,这里的on 跟off 代表电感的充电放电的两个过程，IDC为电流的直流分量,也就是平均电感电流。

在功率半导体元件及电力电子等相关技术产生之前，若要将小功率的直流电转换成较高电压的直流电，可以先用震荡电路先转换为交流，再用升压变压器升压，最后再用整流器转换为直流。若是较大功率的直流电压转换，会用电动机驱动发电机(有时会整合成dynamotor模组，在一个模组中同时有马达和发电机，一个绕组驱动电动机，另一个绕组产生输出电压)。这些是比较没有效率的作法，其费用也较贵，但当时没有其他更好的作法，像是驱动早期的汽车音响(其中使用的热电子管或是真空管工作电压远高于汽车中6V或12V的电压)。功率半导体及集成电路的出现，使用一些新式电路的成本开始下降，是一般应用可以负荷的价格。比较便宜。这些新式电路包括将直流电转换为高频的交流电，配合一个较小、较低也较便宜的变压器来转换交流电压，再用整流器再转换成直流。1976年时汽车收音机开始使用晶体管，不需要高电压。而使用晶体管的电源供应器也已可以取得，不过仍有些业余无线电使用者使用震荡电路及dynamotor的电源做为需要高电压的无线电发射台电源。利用线性电路是可以从较高直流电压中产生较低的电压，甚至使用电阻分压也有类似效果。但这些方式会将多余的能量以热的方式消耗，效率不佳。一直到后来固态切换电路出现后，才有效率较高的直流-直流转换器。

IPP为纹波电流，也就是电感公式中所提到的△I。下面会结合升压电路再进行讲解，V=L*△I/△t，△Ion=△Ioff由这个两个公式结合起来推导出Von*ton=Voff*toff 也就是上面所提到的伏秒定律，电感电压与电压的作用时间的乘积叫伏秒积。导通阶段的电感电压与其作用时间的乘积必然会等于关断阶段电压电压与其作用时间的乘积，这就是伏秒定律的定义。

大部分的直流-直流转换器也会将输出的电压进行稳压，不过也有些例外，像是高效率的LED驱动电路是调节给LED电流的直流-直流转换器，还有简单的电荷泵，是将输出电压加大为原来的二倍或三倍。直流-直流转换器也可以配合光伏阵列或风力发动机使用，目的是要让收集到最多的能量，这类设备称为电源优化器。一般用在市电电源50–60Hz的变压器，若功率要超过几瓦，其体积就会很大，而且很笨重，而且绕组铜损及铁心的涡电流都会造成能量损失。直流-直流转换器会设计电路，让变压器或是电感可以在较高的频率工作，因此元件较小、较轻、价值也较价宜。甚至这类元件会用在一些原来用传统市电频率变压器的场合。例如，家用电气设备常会将市电电源先整流成直流电，用开关电源供应器的技术转换为所需电压的高频交流电，最后再整流到对应电压的直流电。整个电路比传统配合变压器及整流器的系统要复杂，但价格便宜，效率也会比较好。

实际应用的电子式直流转换器会使用开关切换的技术。直流-直流的开关电源可以将能量暂时储存，再透过输出电压释放，可以将直流电压转换为较高或是较低电压的直流电。能量的储存可以储存在电场(电容器)或是磁场(电感器或是变压器)。这种转换方式可以昇压也可以降压，切换式的转换效率可以到75%~98%，比线性电压调节器(会将不需要的能量以热的方式消耗)的效率要好。为了效率考量，其中的半导体元件开启或关闭的速度要相当快，不过因为有快速的暂态，加上电路布局上会有的杂散元件，让电路的设计更有挑战性。开关电源的高效率减少了散热片的大小或体积，也提升了便携式设备用电池供电时，可以运作的时间。在1980年代后期，因为功率级场效应管的出现，可以在较高频率下有比功率级双极性晶体管更低的切换损失，因此效率也可以进一步的提升，而且场效应管的驱动电路也比较简单。 另一个开关电源的重要突破是用功率级场效应管的同步整流技术代替飞轮二极管，其导通电路较低，也可以降低切换损失。在功率半导体广为应用之前，低功率的直流-直流同步整流器中包括一个机电式的震荡器，震荡后的电透过降压变压器，输出给真空管、半导体整流器、或是和震荡器连接的同步整流器。

DC-DC转换器是电力电子领域中的重要组件，其核心作用在于高效转换电压。这一转换器通过电子电路将一个直流电源的电压转换为另一个直流电源所需的电压，广泛应用于各种电子设备中，如手机、平板电脑以及电动汽车等。其特点包括转换效率高、体积小巧、便于携带等，使得它在现代电力系统中占据着不可或缺的地位。

DC-DC转换器中常用的调制方式包括PFM和PWM。PFM是一种重要的调制方式，它通过保持开关脉冲宽度不变，而是调节脉冲输出的频率，从而实现输出电压的稳定控制。这种控制方式在小负载情况下表现出色，能够有效地降低能耗，确保长时间使用的效率。而PWM是一种常见的调制方式，它固定开关脉冲的频率，通过动态调整脉冲输出的宽度，来维持输出电压的稳定。

器件选型时应遵循高性价比、兼容与可替代性、资源节约等原则。确保器件广泛适用于各种应用，且在未来需要时能够轻松替换。在选择外围器件时，需考虑电容和电感的耐压、纹波以及电感的饱和电流等因素。以确保整个系统的稳定性和可靠性。这些设计技巧与选择准则能帮助工程师开发出性能优越且可靠的DC-DC电源系统。降压变换器，也被称为BUCK变换器，在降压变换器中，开关的通断影响电感上的电压及磁通量变化，实现输入电压高于输出电压，达到降压效果。当开关闭合时，电感两端的电压为(Vi-Vo)，这一电压促使电感励磁，进而磁通量增加。而当开关断开时，由于输出电流的连续性，二极管VD自然导通，电感开始削磁，磁通量随之减少。在稳定状态下，输入电压Vi与输出电压Vo之间的关系满足：(Vi-Vo)Ton=(Vo)Toff，其中占空比D小于1，确保了输入电压始终高于输出电压，从而实现了降压的目标。

在深入探讨PWM和PFM这两种调制方式的性能差异之前，我们首先需要了解DC-DC转换器的几种主要架构分类。这些架构不仅影响了转换器的性能，还决定了其在不同负载条件下的工作模式和效率。DC-DC转换器是利用电感和电容作为储能元件，通过控制开关管的占空比来实现输入到输出的能量转换。按照转换器完成的功能，可以分为降压型转换器和升压型转换器两个基本类型。当DC-DC稳态工作时，按照电感电流是否连续，可以将转换器的工作模式分为：连续导通模式(CCM)、临界导通模式和不连续导通模式(DCM)。DC-DC转换器是利用电感和电容作为储能元件，通过控制开关管的占空比来实现输入到输出的能量转换。按照转换器完成的功能，可以分为降压型转换器和升压型转换器两个基本类型。当DC-DC稳态工作时，按照电感电流是否连续，可以将转换器的工作模式分为：连续导通模式(CCM)、临界导通模式和不连续导通模式(DCM)。

常见的三种原理架构包括：

A、Buck(降压型DC/DC转换器)

这种转换器通过降低输入电压来提供输出电压，常用于需要降低电压的电路中。其工作原理简单，效率较高，是电子系统中不可或缺的一部分。

B、Boost(升压型DC/DC转换器)

这类转换器则通过提升输入电压来产生所需输出电压，常用于需要增加电压的场合。其设计相对复杂，但同样具备高效能，是电子电路中不可或缺的环节。

C、Buck-Boost(升降压型DC/DC转换器)

这类转换器既具备升压功能，又具备降压功能，能够灵活适应输入与输出电压的变化。其设计同样具有挑战性，但正是这种灵活性，使其在各种电压需求场合都能发挥重要作用。

S和L是降压变换器的关键，断路或短路会影响电路的输出电压及稳定性。S作为PWM波的关键器件，其断路状态会导致输出电压为0V，而短路状态则会使输出电压达到Vi，可能烧毁负载元器件。L作为降压变换器的核心部件，其断路同样会导致输出电压为0V，而短路时输出电压会达到Vi，同样存在烧毁负载元器件的风险。此外，C用于稳定输出电压，确保系统的稳定运行。D作为续流二极管，D和C则确保电压的稳定，在开关管断开时为L提供续流回路。若D断路，可能导致输出电压出现异常波动，如尖峰或偏低;而短路则可能损坏开关管。

综上所述，降压变换器的每个部件都发挥着关键作用，需要谨慎对待以确保系统的正常运行。