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电感型升压DCDC转换器的工作过程和工作原理详细说明

工程师
2020-11-16 22:48:24    评分

信很多电子工程师都会接触到各种各样的电路,根据不同的要求来设计不同的电路,那么很多时候也会接触到DC-DC电路,那么你知道怎么设计吗?那就让我带领大家来学习一下吧。

DC-DC转换器分为三类:Boost升压型DC-DC转换器、BUCK降压型DC-DC转换器以及Boost-BUCK升降压型DC-DC转换器三种,如果电路低压采用DC-DC转换电路,应该是Boost升压型DC-DC转换电路,并且输入电压、输出电压都是直流电压,而且输入电压比输出电压低,基本拓扑结构如图

对于刚刚开始接触和学习电路设计的新人来说,扎实的了解和掌握DC-DC变换器的运行情况,是非常有必要的。在平时的工作中,升压式DC-DC变换器作为一种比较常见的能量转换器,常常被应用在电力、光伏变电等系统中。本文将会就该种DC-DC变换器的电路运行原理,进行简要的分析和介绍,希望能够对各位设计人员的工作有所帮助。

工作原理分为两个步骤:

步骤一:开关管闭合(MOS管导通,相当于一根导线),这时输入的直流电压流过电感L。二极管D1作用是防止电容C对地放电,同时起到续流作用。由于输入的电压是直流电,因此电感上的电流以一定的比率线性的增加,这个比率跟电感因素有关,随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。

这里我们以最基础的升压式DC-DC变换器作为对象进行分析,以便于大家理解。在正常工作的前提下,该种转换器的工作电路主要由升压电路及电压调节电路两大部分组成,下面我们将会分别为设计研发人员进行这两大部分电路的工作运行情况介绍。

步骤二:,当开关管断开时候,由于电感的电流不能突变,也就是说流经电感L的电流不会马上变为零,而是缓慢的由充电完毕时的值变为零,这需要一个过程,而原来的电路回路已经断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容C2充电,电容两端电压升高,此时电压已经高于输入电压了,升压过程中,电容要足够大,这样在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流,这两个步骤不断重复,在输出两端就得到高于输入电压的电压。

电感式DC-DC的升压器原理

电感是我们在变压器设计当中较长使用的一种元件,它的主要作用是把电能转化为磁能再存储起来。需要注意的是,虽然电感的结构类似于变压器,但是其只有一个绕组。本篇文章主要介绍了电感式DC-DC的升压器原理,并且本文属于基础性质,适合那些对电感的特性并不了解,但同时又对升压器感兴趣的朋友们。文中的一些原理性知识都能在网上查到,所以这里就不多家赘述了。

该种升压DC-DC转换器的升压电路图,该种升压电路由输出方波(脉冲)的振荡器、开关管vT、储能元件电感器L、单向导通二极管VD及储能元件电容器C组成。由于开关管工作于开关状态,可用开关s来表示示。

想要充分理解电感式升压原理,我们就必须首先知道电感的特性,包括电磁的转换与磁储能。这两点非常重要,因为我们所需要的所有参数都是由这两个特性引出来的。各位朋友都知道,上图是电磁铁,一个电池对一个线圈通电。有人可能会奇怪,这么简单的图有什么好分析的呢?我们就是要用这张简单的图来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。

在转换器正常运行的状态下,当振荡器输出脉冲高电平时,开关管vT导通,相当于开关闭合,其发生过程如图2所示。此时,输入电压VI经电感器L及开关s到地形成电感电流iL,其运行过程如图3所示。到开关管关闭时,电感器电流到最大值PK,电感器中储存了能量。在开关管上有极小的导通电阻RDS(on),所以开关管上有一个小的管压降Von(sw)。

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。

当该系统中的振荡器输出脉冲低电平时,开关管vT将会截止,相当于开关断开。输入电压VIN叠加上储能元件电感器上的感应电压VL(右正左负),经二极管VD向储能元件电容器C充电(充电电流iC),电感器中的能量释放,如图4所示。由于振荡器频率较高一般几十千赫至上百千赫,所以经过一定时间,电容器上的电压VC=VIN+VL-VF。式中VF为二极管的正向压降。电感器上产生的感应电压VL一般可达几十伏,所以VC上的电压往往可达几十伏,VIN一般仅1.5-3V。这就是升压电路的基本工作原理。开关管上的最高电压等于VL+VIN。这里二极管VD主要起到一个堵塞作用,防止开关管导通时,充了电的电容器通过开关管对地放电。从图3可看出电感器的峰值电流IPK要比供负载的平均电流大得多,一般为IOUT的2-3倍。

现在我们对以上的内容作一下小结:

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。然后是负压发生器,你不停地扳动开关,从输入处可以得到无穷高的负电压。

在了解了升压式DC-DC变换器的升压电路后,接下来我们再来看一下其电压调节电路的运行工作原理。该电路在正常运行时并不稳压,如加上负载后,电压VOUT会下降,并且其输出电压受振荡器的工作频率及电感器L大小的影响,输出电压VOUT变化较大。为达到输出电压稳定,增加电压调节电路是必不可少的,增加稳压电路后的转换器电路系统如图5所示。它由检测输出电压的电阻分压器(R1、R2)、基准电压Vref、误差放大器、脉冲宽度调制电路组成。

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: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。事实上,所以开关电源都是由这两个图组合变换而来。以上就是DC-D从的工作原理解析,希望能给大家帮助。




工程师
2020-11-17 15:33:28    评分
2楼

感谢楼主分享


院士
2020-11-22 22:28:13    评分
3楼

谢谢细致的讲解与分享(配图好像不全)。


工程师
2020-11-23 21:54:44    评分
4楼

分享的非常不错


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