电感式DC/DC变换器工作原理

http://www.amobbs.com/thread-3293203-1-1.html

首先必须要了解电感的一些特性:电磁转换与磁储能.其它所有参数都是由这两个特性引出来的.

电感回路通电瞬间

断电瞬间

相信有初中文化是坛友们都知道,一个电池对一个线圈通电,这是个电磁铁.不论你是否科盲,你一定会奇怪,这有什么值得分析的呢?有!我们要分析它通电和断电的瞬间发生了什么. 
线圈(以后叫作"电感"了)有一个特性---电磁转换,电可以变成磁,磁也可以变回电.当通电瞬间,电会变为磁并以磁的形式储存在电感内.而断电瞬磁会变成电,从电感中释放出来.
现在我们看看下图,断电瞬间发生了什么: 前面我说过了,电感内的磁能会在电感断电时重新变回电,然而问题来了:此时回路已经断开,电流无处可以,磁如何能转换成电流呢?很简单,电感两端会出现高压!电压有多高呢?无穷高,直到击穿任何阻挡电流前进的介质为止.
这里我们了解了电感的第二个特性----升压特性.当回路断开时,电感内的能量会以无穷高电压的形式变换回电,电压能升多高,仅取决于介质变的击穿电压.
现在可以小结一下了:
下面是正压发生器,你不停地扳动开关,从输入处可以得到无穷高的正电压.电压到底升到多高,取决于你在二极管的另一端接了什么东西让电流有处可去.如果什么也不接,电流就无处可去,于是电压会升到足够高,将开关击穿,能量以热的形式消耗掉.

正压发生器原理图

下面是负压发生器,你不停地扳动开关,从输入处可以得到无穷高的负电压.

负压发生器原理图

上面说的都是理论,现在来点实际的电子线路图,看看正/负压发生器的"最小系统"到底什么样子:

实际电子线路

你可以很清楚看到演变,电路中仅仅把开关换成了三极管换而已.
不要小看这两个图,事实上,所以开关电源都是由这两个图组合变换而来,所以掌握这两个图非常重要.

最后要提提磁饱合的问题.什么是磁饱合?

从上面的背景知道我们可以知道电感能储存能量,将能量以磁场方式保存,但能存多少呢?存满之后会发生什么情况呢?

1.存多少: "最大磁通量"这个参数就是干这个用的,很显然,电感不能无限保存能量,它存储能量的数量由电压与时间的乘积决定,对于每个电感来说,这是一个常数,根据这个常数你可以算出一个电感要提供N伏M安供电时必须工作于多高的频率下.
2.存满之后会如何: 这就是磁饱合的问题.饱合之后,电感失去一切电感应有的特性,变成一纯电阻,并以热的形式消耗掉能量.

磁饱和概念有点不妥。带铁磁性磁芯的电感才会磁饱和，空芯线圈不会磁饱和，铁磁线圈饱和后不是等效于纯电阻，而是等效于空芯线圈，大电流充磁机就是利用这个原理。超导线圈储存能量的原理也是利用空芯线圈不会磁饱和这个特点。另外，磁介质的磁导率越低，在同样的磁场强度下，储存的能量密度越高，这就是铁磁线圈磁隙的原理。磁粉芯线圈磁导率远比铁氧体线圈低，所以磁粉芯线圈不需要磁隙也能工作在较大电流下

http://ee.ofweek.com/2013-03/ART-11000-2802-28674361.html

电感降压式DC/DC变换器：电路原理框图如图所示。

电感降压式DC/DC变换器原理框图

　　图中，VIN为输入电压，VOUT为输出电压，L为储能电感，VD为续流二极管，C为滤波电容，R1、R2为分压电阻，经分压后产生误差反馈信号FB，用以稳定输出电压和调输出电压的高低。电源开关管V既可采用N沟道绝缘栅场效应管(MOSFET)，也可采用P沟道场效应管，当然也可用NPN型晶体管或PNP型晶体管，实际应用中，一般采用P沟道场效应管居多。

　　降压式DC/DC变换器的基本工作原理是：V开关管在控制电路的控制下工作在开关状态。开关管导通时，FIN电压经开关管S、D极、储能电感L和电容C构成回路，充电电流不但在C两端建立直流电压，而且在储能电感L上产生左正、右负的电动势；开关管截止期间，由于储能电感L中的电流不能突变，所以，L通过自感产生右正、左负的脉冲电压。于是，L右端正的电压→滤波电容C一续流二极管VD→L左端构成放电回路，放电电流继续在C两端建立直流电压，C两端获得的直流电压为负载供电。因此，降压式DC/DC变换器产生的输出电压不但波纹小，雨且开关管的反峰电压低。

http://wenku.baidu.com/view/9e18b8a7f524ccbff1218407.html

根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。       
    线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。而在开关电源中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开——电阻很小；关——电阻很大。 
     开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。 通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感 L 叫做储能电感。二极管 D 在开关断开期间，负责给电感 L 提供电流通路， 所以二极管 D 叫做续流二极管。 在实际的开关电源中，开关 K 由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率 U×I 就会很小。这就是开关电源效率高的原因。

看过完两个关于电源的 FAQ 后，大家可能对电源的效率计算还不了解。在后面的 FAQ 中，我们将专门给大家介绍。

http://www.dzsc.com/data/html/2008-4-25/62607.html

降压式DC/DC变换器基本原理电路

降压式DC/DC变换器的输出电流较大，多为数百毫安至几安，因此适用于输出电流较大的场合。降压式DC/DC变换器基本工作原理电路如图所示。

VT1为开关管，当VT1导通时，输入电压Vi通  过电感L1向负载RL供电，与此同时也向电容C2充电。在这个过程中，电容C2及电感L1中储存能量。
当VT1截止时，由储存在电感L1中的能量继续向RL供电，当输出电压要下降时，电容C2中的能量也向RL放电，维持输出电压不变。

二极管VD1为续流二极管，以便构成电路回路。

输出的电压Vo经R1和R2组成的分压器分压，把输出电压的信号反馈至控制电路，由控制电路来控制开关管的导通及截止时间，使输出电压保持不变。

http://www.micro-bridge.com/news/news.asp?id=881

Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。

图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。

Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。

开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。

Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式

Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。

Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压 U0小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压 U0大于输入电压Ui，极性相同。

（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其 输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电 压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。

DC-DC分为BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三类DC-DC。

其中BUCK型DC-DC只能降压，降压公式：Vo=Vi*D

BOOST型DC-DC只能升压，升压公式：Vo= Vi/(1-D)

BUCK-BOOST型DC-DC，即可升压也可降压，公式：Vo=(-Vi)* D/（1-D）

D为充电占空比，既MOSFET导通时间。0<D<1。

开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

http://www.chinabaike.com/z/keji/dz/dlt/911989.html

DC-DC:Buck转换器的电压型控制原理框电路图

以Buck转换器为例，电压型控制的原理框图如图所示。

用电阻分压来检测输出电压Uo，Ur为给定电压，Uc为电压调节器（误差放大器）的输出，
Uc为检测电压与给定电压之间的误差，即控制电压，它与锯齿波电压进行比较后，
产生出占空比为Du的脉冲序列，此脉冲序列通过驱动电路往控制开关管V的通/断。

电压型控制的DC／DC PWM转换器的主要缺点是动态响应较慢，如当输人电压跃变增加时，必须等到控制系统检测出负载电压上升时，才能产生负反馈调节作用。

http://www.chinabaike.com/z/keji/dz/dlt/911988.html

DC-DC:PWM脉宽调制器的原理电路图

脉宽调制器是一个比较器，它是将控制信号Uc与频率一定的锯齿波电压进行比较，产生出脉冲序列如图1所示。

因此在集成控制电路中还包括一个频率固定的时钟信号和锯齿波发生器。时钟脉冲频率决定了PWM转换器的开关频率。

假设锯齿波电压幅值为Um，锯齿波宽为Ts（决定了开关周期）。

在一个开关周期Ts内，控制信号Uc与锯齿波有一次相交，决定了这时的PWM输出脉冲的宽度DuTs。

可见，在相交点Uc／Um＝Du。

DC／DC PWM转换器的输出输人电压比Uo／Ui与占空比Du有关，即Uo／Ui＝f（Du）。

在由于任何原因使负载电压Uo发生变化时，由于系统的负反馈控制作用，PWM输出脉冲的宽度（即占空比Du）自动调整，

从而就自动实现了稳压，使Uo的变化保持在给定值四周的答应范围之内。

http://jpkc.zju.edu.cn/k/177/wljc/chapter4/chapter4_1.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter

http://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter

http://en.wikipedia.org/wiki/Buck-boost_converter

http://en.wikipedia.org/wiki/%C4%86uk_converter