一什么是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器?

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種電力電子電路，可有效地將直流電從一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中扮演著不可或缺的角色。這是因?yàn)榕c線性穩(wěn)壓器相比，它們具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。尤其是線性穩(wěn)壓器會(huì)散發(fā)大量熱量，與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)穩(wěn)壓器相比，它們的效率非常低。

DC-DC 升壓電路

在介紹 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 的工作原理之前，看一個(gè)示例，為什么 DC-DC 轉(zhuǎn)換器這么有用?假設(shè)構(gòu)建一個(gè)具有以下要求的電路：

DC-DC 升壓電路

2Ω 負(fù)載電阻

12V 直流電源

5V 負(fù)載電壓

我們需要降低 12V 電池的電壓，為負(fù)載提供 5V 電壓。我們可以將一個(gè)2.8Ω的電阻與負(fù)載串聯(lián)，以提供所需要的電壓。

先計(jì)算電路的效率如下：

DC-DC 升壓電路

從這些計(jì)算中，我們可以看到負(fù)載僅僅消耗了 12.5W 的輸入功率，剩余部分 (30 – 12.5 = 17.5 W) 轉(zhuǎn)化為熱量。

照這么來看，其實(shí)是有點(diǎn)浪費(fèi)的，如果觸摸串聯(lián)電阻，會(huì)有點(diǎn)熱，這里需要結(jié)合機(jī)制來冷卻電路，為了獲得更優(yōu)的解決方案，可以看下面的電路：

DC-DC 升壓電路

開關(guān)斷開時(shí)，輸入電壓為 0V，控制在 ON 位置時(shí)，輸入電壓為 12V。下圖分別顯示了開關(guān)位置 ON 和 OFF 的等效電路。

DC-DC 升壓電路等效電路

如果我們?nèi)缦聢D(a)所示控制開關(guān)，我們得到如下圖(b)所示的電壓圖。T為切換周期，單位為毫秒或微秒。

DC-DC 升壓電路

在這種情況下，這種開關(guān)行為的平均輸出電壓為 5V，因?yàn)椋?/p>

DC-DC 升壓電路

該電路的平均輸出電壓為5V，但我們可以通過使用RC濾波電路去除諧波來改善輸出波形。

如果我們假設(shè)開關(guān)是理想的(理想開關(guān)是不消耗或耗散電源的開關(guān))，我們可以計(jì)算出該電路的效率為 100%。當(dāng)開關(guān)處于 ON 位置時(shí)，流過電路的電流為 6A。

由于我們有一個(gè)理想的開關(guān)，耗散功率為 P_diss = RI 2 = 0 * 9 2 = 0W。當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉位置時(shí)，沒有電流流過開關(guān)，因此在這種情況下，耗散功率也為 0。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，找到一個(gè)理想的開關(guān)是比較困難的，這就意味著實(shí)際上會(huì)有一些功耗，雖然有功耗，但轉(zhuǎn)換的效率仍舊很高。

二DC-DC 升壓電路

DC-DC 升壓電路主要是增加電源的電壓，例如：升壓轉(zhuǎn)換器可以采用 5V 電源并將其升壓至 25V。通常，你會(huì)在電池充電器或太陽能電池板中找到 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器。它們還可用于從同一電池為具有不同工作電壓的組件供電。

這種配置將直流電壓升高到由電路中組件選擇決定的水平。這是升壓轉(zhuǎn)換器的一般示意圖。

01升壓開關(guān)打開狀態(tài)

升壓開關(guān) ON 狀態(tài)

02升壓開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)

升壓開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)

基本配置包括直流電源(Vin)、電感(L)、二極管(D)、開關(guān)器件(SW)、平滑電容(C)和負(fù)載電阻(Load)，Vout 是輸出電壓。

開關(guān)通常是功率電子器件，例如由 PWM 信號(hào)控制的 MOSFET或BJT 晶體管。該 PWM 信號(hào)通過非常快速地切換晶體管來工作，通常每秒數(shù)千次。

三DC-DC 升壓電路工作原理

假設(shè)當(dāng)前的電壓是 5V，需要將 5V 轉(zhuǎn)換為更高的電壓值，用 DC-DC 升壓電路就可以實(shí)現(xiàn)，這里假設(shè)我們是管道工。

01渦輪加速

首先我們需要加速渦輪。為此，節(jié)氣門打開，水快速排放，將部分能量傳遞給渦輪機(jī)，結(jié)果渦輪機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

DC-DC 升壓電路工作原理

02填充壓力儲(chǔ)罐

油門關(guān)閉，由旋轉(zhuǎn)的渦輪飛輪半部推動(dòng)的一部分水打開閥門并填充儲(chǔ)水箱，另一部分水在儲(chǔ)水箱提供的高壓下流向消費(fèi)者，同時(shí)閥門防止水倒流。

DC-DC 升壓電路工作原理

03從壓力儲(chǔ)罐發(fā)電并加速渦輪機(jī)

渦輪的速度開始下降。水不能再推動(dòng)閥門，儲(chǔ)水箱仍有足夠的能量積累。然后油門再次打開，水開始快速旋轉(zhuǎn)渦輪。由于消費(fèi)者從儲(chǔ)罐接收能量，因此流向消費(fèi)者的能量不會(huì)停止，然后循環(huán)重復(fù)。

現(xiàn)在工作原理已經(jīng)很清楚了，我們將從管道設(shè)備切換到電子設(shè)備。

DC-DC 升壓電路工作原理

我們用感應(yīng)節(jié)流閥代替了渦輪機(jī)。晶體管用于代替控制水流的節(jié)流閥。二極管起閥門作用，用電代替儲(chǔ)壓罐。

下面就可以很好的理解，DC-DC 升壓電路的工作原理。

1電感累積電荷開關(guān)已關(guān)閉，電感通過從源接收電流來積累能量。

DC-DC 升壓電路工作原理

2將能量轉(zhuǎn)移到電容開關(guān)打開，線圈保持磁場(chǎng)中積累的能量。電流試圖保持在同一水平，但來自電感的額外能量會(huì)提高電壓，從而打開通過二極管的路徑。一部分能量流向消費(fèi)者，而剩余能量在電容器中積累。

DC-DC 升壓電路工作原理

3在電感中積累能量并將電荷轉(zhuǎn)移給消耗的電路然后開關(guān)被鎖定，線圈再次開始積累能量，同時(shí)，消耗的從電容接收能量。

DC-DC 升壓電路工作原理

審核編輯：湯梓紅