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初學者需要學習的升壓式DC-DC變換器電路,你會嗎?

技術中心

Technology

初學者需要學習的升壓式DC-DC變換器電路,你會嗎?

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/03/10
瀏覽量

        相信很多電子工程師都會接觸到各種各樣的電路,根據不同的要求來設計不同的電路,那么很多時候也會接觸到DC-DC電路,那么你知道怎么設計嗎?那就讓我帶領大家來學習一下吧。
        DC-DC轉換器分為三類:Boost升壓型DC-DC轉換器、BUCK降壓型DC-DC轉換器以及 Boost-BUCK升降壓型DC-DC轉換器三種,如果電路低壓采用DC-DC轉換電路,應該是Boost升壓型DC-DC轉換電路,并且輸入電壓、輸出電壓都是直流電壓,而且輸入電壓比輸出電壓低,基本拓撲結構如圖
 
        對于剛剛開始接觸和學習電路設計的新人來說,扎實的了解和掌握DC-DC變換器的運行情況,是非常有必要的。在平時的工作中,升壓式DC-DC變換器作為一種比較常見的能量轉換器,常常被應用在電力、光伏變電等系統中。本文將會就該種DC-DC變換器的電路運行原理,進行簡要的分析和介紹,希望能夠對各位設計人員的工作有所幫助。
        工作原理分為兩個步驟:
        步驟一:開關管閉合(mos管導通,相當于一根導線),這時輸入的直流電壓流過電感L。二極管D1作用是防止電容C對地放電,同時起到續流作用。由于輸入的電壓是直流電,因此電感上的電流以一定的比率線性的增加,這個比率跟電感因素有關,隨著電感電流增加,電感里儲存了一些能量。
        這里我們以最基礎的升壓式DC-DC變換器作為對象進行分析,以便于大家理解。在正常工作的前提下,該種轉換器的工作電路主要由升壓電路及電壓調節電路兩大部分組成,下面我們將會分別為設計研發人員進行這兩大部分電路的工作運行情況介紹。
        步驟二:,當開關管斷開時候,由于電感的電流不能突變,也就是說流經電感L的電流不會馬上變為零,而是緩慢的由充電完畢時的值變為零,這需要一個過程,而原來的電路回路已經斷開,于是電感只能通過新電路放電,即電感開始給電容C2充電,電容兩端電壓升高,此時電壓已經高于輸入電壓了,升壓過程中,電容要足夠大,這樣在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續的電流,這兩個步驟不斷重復,在輸出兩端就得到高于輸入電壓的電壓。
電感式DC-DC的升壓器原理
        電感是我們在變壓器設計當中較長使用的一種元件,它的主要作用是把電能轉化為磁能再存儲起來。需要注意的是,雖然電感的結構類似于變壓器,但是其只有一個繞組。本篇文章主要介紹了電感式DC-DC的升壓器原理,并且本文屬于基礎性質,適合那些對電感的特性并不了解,但同時又對升壓器感興趣的朋友們。文中的一些原理性知識都能在網上查到,所以這里就不多家贅述了。
        該種升壓DC-DC轉換器的升壓電路圖,該種升壓電路由輸出方波(脈沖)的振蕩器、開關管vT、儲能元件電感器L、單向導通二極管VD及儲能元件電容器C組成。由于開關管工作于開關狀態,可用開關s來表示示。
        想要充分理解電感式升壓原理,我們就必須首先知道電感的特性,包括電磁的轉換與磁儲能。這兩點非常重要,因為我們所需要的所有參數都是由這兩個特性引出來的。各位朋友都知道,上圖是電磁鐵,一個電池對一個線圈通電。有人可能會奇怪,這么簡單的圖有什么好分析的呢?我們就是要用這張簡單的圖來分析它通電和斷電的瞬間發生了什么。線圈(以后叫作電感了)有一個特性---電磁轉換,電可以變成磁,磁也可以變回電。當通電瞬間,電會變為磁并以磁的形式儲存在電感內。而斷電瞬磁會變成電,從電感中釋放出來。
        在轉換器正常運行的狀態下,當振蕩器輸出脈沖高電平時,開關管vT導通,相當于開關閉合,其發生過程如圖2所示。此時,輸入電壓VI經電感器L及開關s到地形成電感電流iL,其運行過程如圖3所示。到開關管關閉時,電感器電流到最大值PK, 電感器中儲存了能量。在開關管上有極小的導通電阻RDS(on),所以開關管上有一個小的管壓降Von(sw)。
        前面我說過了,電感內的磁能會在電感斷電時重新變回電,然而問題來了:此時回路已經斷開,電流無處可以,磁如何能轉換成電流呢?很簡單,電感兩端會出現高壓!電壓有多高呢?無窮高,直到擊穿任何阻擋電流前進的介質為止。這里我們了解了電感的第二個特性----升壓特性。當回路斷開時,電感內的能量會以無窮高電壓的形式變換回電,電壓能升多高,僅取決于介質變的擊穿電壓。
        當該系統中的振蕩器輸出脈沖低電平時,開關管vT將會截止,相當于開關斷開。輸入電壓VIN疊加上儲能元件電感器上的感應電壓VL(右正左負),經二極管VD向儲能元件電容器C充電(充電電流iC),電感器中的能量釋放,如圖4所示。由于振蕩器頻率較高一般幾十千赫至上百千赫,所以經過一定時間,電容器上的電壓VC=VIN+VL-VF。式中VF為二極管的正向壓降。電感器上產生的感應電壓VL一般可達幾十伏,所以VC上的電壓往往可達幾十伏,VIN一般僅1.5-3V。這就是升壓電路的基本工作原理。開關管上的最高電壓等于VL+VIN。這里二極管VD主要起到一個堵塞作用,防止開關管導通時,充了電的電容器通過開關管對地放電。從圖3可看出電感器的峰值電流IPK要比供負載的平均電流大得多,一般為IOUT的2-3倍。
現在我們對以上的內容作一下小結:
        下面是正壓發生器,你不停地扳動開關,從輸入處可以得到無窮高的正電壓。電壓到底升到多高,取決于你在二極管的另一端接了什么東西讓電流有處可去。如果什么也不接,電流就無處可去,于是電壓會升到足夠高,將開關擊穿,能量以熱的形式消耗掉。然后是負壓發生器,你不停地扳動開關,從輸入處可以得到無窮高的負電壓。
        在了解了升壓式DC-DC變換器的升壓電路后,接下來我們再來看一下其電壓調節電路的運行工作原理。該電路在正常運行時并不穩壓,如加上負載后,電壓VOUT會下降,并且其輸出電壓受振蕩器的工作頻率及電感器L大小的影響,輸出電壓VOUT變化較大。為達到輸出電壓穩定,增加電壓調節電路是必不可少的,增加穩壓電路后的轉換器電路系統如圖5所示。它由檢測輸出電壓的電阻分壓器(R1、R2)、基準電壓Vref、誤差放大器、脈沖寬度調制電路組成。
        上面說的都是理論,現在來點實際的電子線路圖,看看正/負壓發生器的最小系統到底什么樣子:你可以很清楚看到演變,電路中僅僅把開關換成了三極管換而已。事實上,所以開關電源都是由這兩個圖組合變換而來。以上就是DC-D從的工作原理解析,希望能給大家幫助。

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