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DC-DC电压转换电路原理研究 一．背景 在各种电子设备中，经常需要将输入的直流电压转换到电路所需要的直流电压，同时，将不稳定的直流电压变成稳定的电压，这种电路称为DC-DC电源电路。电路通常由电子开关器件和起储能和平滑作用的电感和电容构成。用动态电路分析方法可以解释这种电路的工作原理。 二．原理 如图1(a)所示的电路中，脉冲电压源的电压经过电感和电容的平滑，在电阻上得到平滑的近似直流电压。很显然，电压的平均值与方波的幅度和占空比有关。占空比定义为 d=? 调解占空比就可以改变输出直流电压。 实际的DC-DC转换电路需要把直流电压变换为另外一种直流电压，方法是先将直流电压变成脉冲电压，再进行平滑得到不同的支流电压。 图2是降压转换器的原理电路，图3是升压转换器的原理电路。图中Vin是输入电压，v0是输出电压。电路中两个开关周期交替闭合，由周期方波电压vsw控制（图4）。在vsw一个周期开始的0-- t1期间，s1闭合，s2断开如图2(a)和图3(a)；在t1--T期间，s1断开s2闭合, 如图2(b)和图3(b)。 在这两个典型的电压变换电路中，开关动作产生电压脉冲变化，电感和电容储存能量，平滑输出电压。 三．问题和要求 （1）当开关周期动作重复多次后，电路中电压电流变成周期性波形。设周期T = 0.05ms，求出电感电流一个周期的波形。计算时可假定输出电压v0近似为常数。 分析与求解： 如果v为常数，可以得到在一个v的周期T的两个部分，电感两端电压分别为不同常熟，电感电流就应该近似为三角波。以上是概括性的理论分析，下面进行具体表达式的计算。取开关周期动作多次后某一周期的起点为时间原点0，记0时刻的电感电流值为i。 对于图1，有： 0≦t≦t时，v+v=v,∴v=v-v（在该电压作用下，电感电流i线性增长，电感储能增加；电源能两相电感、负载传递。） t≦t≦T时，v+v=0,∴v=-v（在该电压作用下，电感电流i线性下降，电感储能减少，电感储能向电容、负载传递。） 由动态组件的伏安特性可得： 0≦t≦t时，i==i+=i+(V-v)t 0≦t≦t时， 0≦t≦t时，v=v（此时电感电流线型增加，电感储能增加，电源向电感转移电能。） t≦t≦T时，（此时电感电流减少，电感储能减少，电感储能向负载转移。） 由动态组件的伏安特性可得： 0≦t≦t时， t≦t≦T时， ∴电感电流的波形为： 输出电压近似为常数的假设可以通过理论计算来说明。根据二姐电路的微分方程，可求出方程的特征频率，特征频率油电路元件的参数决定。电容电压按照特征频率变化，而对比输入信号的频率可知，只要保证特征频率远小于输入方波信号的频率，对于输入方波信号的一个周期内的两次电压跳变之间的时间段，电容电压变化量非常小，就可以近似视为常数。 再输入周期方波作用下电路的动态响应逐渐趋向于动态平衡，即波形每个周期开始值与结束值相同。由此可得： 图1： 图2： 由的关系显然可证：改变占空比可以调整输出电压的高低。 ①降压转换器： ②升压转换器： 4）将电路中的开关s2用二极管代替，在图2中，正极在下方；在图3中，正极在左侧。假设二极管加正向电压时导通，电阻为0；加反向电压时断开，电阻无穷大。尝试定性分析二极管自动导通和断开的原理，并进行EWB仿真。 电路图如下： 降压转换器： 升压转换器： 四、提示