降壓DC-DC轉換器概述

將一種直流電壓轉換為另一種直流電壓的必要性常常是工業(yè)、醫(yī)療甚至家庭領域眾多應用的核心。一種或多或少復雜的設備，稱為直流-直流轉換器，執(zhí)行從一個電平到另一個電平的直流電壓變化。電壓可能會以上升或下降的方式變化。在本章中，我們將研究最常用的方法。

改變直流電源的電壓 – DC-DC 轉換器

在家庭中以交流形式分配電力的主要原因之一是轉換的簡單性。變壓器足以非常輕松、安全地升高或降低交流電源電壓。不幸的是，對于直流電壓來說，事情就沒那么簡單了。它的轉變更加復雜，需要特殊的策略、方法和極其復雜的電子元件。將直流電壓轉換為另一種直流電壓可用于各種電力應用，例如電動車輛電機的控制以及需要連續(xù)改變旋轉速度同時保持扭矩和力參數(shù)的所有其他應用完好無損的。帶DC-DC轉換，很容易擁有復雜的電源，可能根據(jù)需要使用不同的電源電壓工作。

降壓（降壓）

在 DC-DC 開關電路中，使用適當驅動的電子開關和組件來存儲能量，從而實現(xiàn)能量轉換。降壓轉換器也稱為降壓轉換器，是一種 DC-DC 電源轉換器，可降低輸入電壓并提供較低的輸出電壓。當今的現(xiàn)代技術將整個復雜的電路結構封裝在一個外殼中。理論上，可以通過使用大功率電阻器或功率分配器來降低輸入電壓，但是不必要地浪費在熱量中的能量將是巨大的，并且這種解決方案只能返回幾個百分點的效率。開關電路的基礎是一個電子開關（BJT、Mosfet 或其他），它以非常高的頻率交替打開和關閉（見圖 1）。

開關信號允許您通過簡單地改變其占空比來選擇輸出電壓

圖 1：開關信號允許您通過簡單地改變其占空比來選擇輸出電壓

若SW開關閉合時間t1，則負載R兩端有電壓Vs。相反，如果該開關打開時間 t2，則負載 R 兩端的電壓為 0 V。這些脈沖的快速連續(xù)導致負載處的電壓介于 0 V 和 Vs 之間。后者可作為占空比的函數(shù)在 0% 和 100% (PWM) 之間變化。如果信號由矩形波或方波生成，則該電壓等于：

在所有其他情況下，電壓等于：

以電阻和電感作為負載的降壓 DC-DC 轉換器

v(in)：是直流輸入電壓，為整個轉換電路供電；

v(sw)：是由電子開關控制的系統(tǒng)提供的矩形信號（脈沖串）；

v(d)：是二極管兩端的信號?？梢钥闯?，它受到峰值和振蕩的影響，使信號因干擾（EMI）而飽和；

v(out)：是低于輸入信號的輸出信號。它可能會受到振蕩的影響，在圖中被故意放大。通常，使用大輸出電容可以顯著減少這個問題。

圖2：以電阻器和電感器作為負載的降壓轉換器

現(xiàn)在我們可以觀察電子元件在 DC-DC 轉換器操作的兩個不同階段（即當開關處于 ON 位置和 OFF 位置時）執(zhí)行的操作和功能：

當開關閉合時，電流通常流過它而不流過二極管，因為二極管的極性相反。因此，電容器通過該電流充電。也就是說，開關處于正常導通狀態(tài)，電流正常從電壓發(fā)生器流向負載；

一旦開關打開，電感器就會反轉其兩端的電壓并使二極管導通。該組件還可以抑制開關打開時可能出現(xiàn)的任何浪涌。換句話說，開關不導通，負載電流流過循環(huán)二極管。

電感器中的平均電流約等于輸出電流。在“ON”階段，MOSFET 中的電流將等于電感器中的平均電流加上紋波。相反，在“OFF”階段，流過二極管的電流等于電感器中的平均電流加上電流紋波之和。如果電感器和電容器是理想的，該電路的效率將為100%。事實上，這一比例約為 94%。電路的效率在很大程度上取決于 PWM 信號的占空比。特別是，當輸出電壓遠低于輸入電壓時，開關處會建立大電流傳輸，這導致不必要的能量浪費。從圖3中可以看出，當占空比較低時，DC-DC轉換器的效率也會很低。因此，應避免設計占空比低于 20% 的轉換器來實現(xiàn)高減速比。請注意，圖中表示的兩個比例均以百分比表示。

降壓轉換器的效率在很大程度上取決于PWM的占空比，即相同負載下輸出電壓的降低比例