一、DCDC開關(guān)電源原理
定義：DC-DC 開關(guān)電源是一種將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓的電源裝置，其原理基于開關(guān)管的導通與截止，通過控制開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。

按拓撲結(jié)構(gòu)分類

• buck 型（降壓型）
  • 原理 ：通過控制開關(guān)管的導通時間，將輸入電壓降低到所需的輸出電壓。在導通期間，電源向負載和儲能電感充電；在截止期間，儲能電感釋放能量維持負載電流。
  • 特點 ：輸出電壓低于輸入電壓，效率較高，輸出電流紋波相對較小，常用于對電壓穩(wěn)定性要求較高的場合，如電腦主板、手機充電器等。
• boost 型（升壓型）
  • 原理 ：當開關(guān)管導通時，儲能電感儲存能量；開關(guān)管截止時，電感中儲存的能量與輸入電壓疊加，使輸出電壓高于輸入電壓。
  • 特點 ：輸出電壓高于輸入電壓，可用于將低電壓電源轉(zhuǎn)換為高電壓電源，如汽車電子中的電源升壓模塊、太陽能電池板的升壓電路等。但輸出電流能力相對較弱，且輸出電壓紋波較大。
• buck - boost 型（升降壓型）
  • 原理 ：通過控制開關(guān)管的導通和截止時間，使輸出電壓可高于或低于輸入電壓。在不同的工作模式下，儲能電感和電容的充放電過程不同，從而實現(xiàn)電壓的升降壓轉(zhuǎn)換。
  • 特點 ：能實現(xiàn)升降壓功能，靈活性較高，但電路復雜度較高，效率相對較低，輸出電壓和電流紋波較大。常用于一些對電源電壓要求靈活可變的設(shè)備中，如便攜式電子設(shè)備的電源管理電路。
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    這里繼續(xù)上篇文章，上次我們對Boost電路的工作原理進行了分析，加下來我們對Buck-Boost電路進行一起分析和學習。

二、工作原理

Buck/Boost變換器，亦被稱為升降壓式變換器，是一種獨特的不隔離直流變換器。其輸出電壓既可低于亦可高于輸入電壓，且輸出電壓的極性與輸入電壓恰好相反。從結(jié)構(gòu)上看，Buck/Boost變換器可視為Buck變換器與Boost變換器的巧妙結(jié)合，通過串聯(lián)的方式實現(xiàn)了開關(guān)管的合并。以下為Buck/Boost轉(zhuǎn)換器的基本電路圖：

當開關(guān)管導通時，輸入電流會直接流過電感并接地，而右端的輸出則主要依靠電容的放電來維持。在一般情況下，我們可以忽略Uq的壓降，因此Uon可以近似等于Ui。

當開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)時，電感電流會從地線流向負載電阻R和電容C，經(jīng)過二極管后再次回到電感，完成一個能量釋放與電容充電的循環(huán)。在此過程中，由于二極管的壓降通?？梢院雎?，因此，我們可以近似認為Uoff等于Uo。

由伏秒平衡原理，我們得到等式：Ui * TD = Uo * (Ts - TD)，經(jīng)過化簡，可以得到以下結(jié)果。
接下來，我們探討如何通過調(diào)整輸出電壓來實現(xiàn)降壓或升壓的效果。這關(guān)鍵在于控制開關(guān)管的PWM波占空比。當占空比超過一半時，將實現(xiàn)升壓效果；而降低占空比則會導致降壓。
三|、總結(jié)

經(jīng)過上述的探討，我們了解到通過調(diào)整輸出電壓，可以實現(xiàn)降壓或升壓的效果。這種調(diào)整的關(guān)鍵在于對開關(guān)管的PWM波占空比進行精確控制。當占空比超過50%時，系統(tǒng)將呈現(xiàn)出升壓的特性；相反，降低占空比則會導致降壓。這一發(fā)現(xiàn)為我們提供了在電路設(shè)計中實現(xiàn)電壓靈活調(diào)整的重要依據(jù)。

1. Buck-Boost電路，一種既能降壓也能升壓的斬波器，其輸出平均電壓U0可以大于或小于輸入電壓Ui，但極性相反，通過電感進行傳輸。BUCK-BOOST型DC-DC轉(zhuǎn)換器的公式為Vo=(-Vi)*D/(1-D)。
2. 開關(guān)管，通常選用功率三極管或功率MOS管，其通斷由PWM波信號控制。
3. 電感，在此電路中扮演儲能角色。在儲能與釋能過程中，電感的正負極會發(fā)生變化。需注意，流經(jīng)電感的電流無法突變，只能逐漸變化。
4. 二極管，主要用于限流。
5. 電容，主要起濾波作用。
6. 電阻，作為負載使用。
   在布局和布線時，還需注意以下幾點：

• DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率管腳應(yīng)大面積鋪銅以減少電源溫升。
• 根據(jù)載流原則處理好輸入和輸出主回路，并注意鋪銅的通流能力和過孔數(shù)量。
• 反饋線應(yīng)避免繞著電感L走。
• 開關(guān)電源芯片及其電感下方應(yīng)盡量避免布局其他信號線。
• 二極管續(xù)流回路應(yīng)盡可能短以減少損耗。
• DC-DC芯片的散熱焊盤上需打矩陣過孔以增強散熱效果。
• 布局要緊湊且輸入輸出主干道宜采用“一”字型或“L”型布局方式以提高效率。
• 關(guān)鍵濾波電容的放置要合理遵循先大后小的原則以確保穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。
• 輸出供電電源應(yīng)從輸出電容取電以保證供電穩(wěn)定性。
• 對于多路輸出的開關(guān)電源應(yīng)盡量使相鄰電感垂直分布以減少磁場干擾。

此外，在選擇時還需綜合考慮DC-DC與LDO的優(yōu)缺點以便選出最適合的轉(zhuǎn)換器類型。
開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率通常高達80%以上，然而其輸出紋波電壓相對較高，導致噪聲較大，進而影響電壓調(diào)整率等關(guān)鍵性能。特別是在為模擬電路供電時，這種影響將更為顯著。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點包括高效率、寬輸入電壓范圍以及強大的驅(qū)動力。然而，它相較于LDO，負載響應(yīng)稍顯遜色，且輸出紋波較大。另一方面，LDO以其快速的負載響應(yīng)、出色的穩(wěn)定性和低輸出紋波而聞名。但遺憾的是，其效率較低，且輸入與輸出的電壓差、驅(qū)動能力以及負載能力均有限。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些優(yōu)缺點來選擇合適的器件。

在同等條件下，LDO的體積通常會比DC-DC更大。這主要是因為LDO的轉(zhuǎn)換率較低，導致其耗散功率和發(fā)熱量均高于DC-DC。因此，在設(shè)計中必須考慮散熱問題，這往往使得LDO的體積在相同條件下比DC-DC稍大一些。

審核編輯 黃宇