1、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= Tt1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，
2、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
3、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0 sw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 。0对于图1，有：0tt 时，v +v =v ,v =v -v （在该电压作用下，电感电流i 线性增1LoinLino L长，电感储能增加；电源能两相电感、负载传递。）t tT时，v +v =0,v =-v （在该电压作用下，电感电流i 线性下降，1LoLo L电感储能减少，电感储能向电容、负载传递
4、。）由动态组件的伏安特性可得：0tt 时，i = =i + =i + (V -v )t1LdtvtodtvLoint)(10L1ino0tt 时，1 tvLVitvLtVidtvLtVidtvLi oinooinoointot 1)(1)()(1)( 对于图 2，有：0tt 时，v =v （此时电感电流线型增加，电感储能增加，电源向电感1Lin转移电能。）t tT时， （此时电感电流减少，电感储能减少，电感储能向1oinLvV负载转移。）由动态组件的伏安特性可得：0tt 时，1 tVLidtidtvLi inointot 10t tT时，1 dtvVLdtidtvLi oinintot )(1
5、110 111)( titVti ooinooinino电感电流的波形为：讨论：输出电压为什么能够假设为常数？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。（2）求出两种电路中输出电压与输入电压的关系。图 4 电压波形中，脉冲宽度 t1 与周期 T 的比值 d = t1/ T 称为脉冲波形的占空比。证明改变占空比 d 可以调整输
6、出电压的高低。分析与求解：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： ininoinoL VdTtvLtViTi *1)(0 1图2： ininoooinoL ttTvii 1/0)(1)( 11由 的关系显然可证：改变占空比 可以调整输出电压的高低。inoVv和 d（3）在 EWB 或 Multisim 中，用电压控制开关构建 DC-DC 电路的仿真电路。用20kHz 的脉冲波形控制开关的切换（仿真时使用压控开关） ，验证理论分析结果。降压转换器：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
7、 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、提示本题目的主要分析问题是确定输出电压 v0 与输入电压 Vin 的关系。在电路的两次换路之间，电路中的变量为二阶动态响应。如果严格按照输出电压 v0 的响应表达式求解，结果会比较复杂，不能得到输出电压与输入电压的简单明确关系。通常对这种电路的分析采用近似计算方法。近似的条件是开关换路的频率（即开关动作的控制电压 vsw 的频率）足够高，以至于在两次换路之间，输出电压的变化很小，近似为常数 v0=V0。
8、输出电压近似为常数的假设可以通过理论计算来说明。写出二阶电路的微分方程，根据给定元件参数求出方程的特征频率，对比输入信号的频率，可知，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，电容电压按照特征频率变化，变化量非常小，可以近似视为常数。如果 v0 为常数，可以确认在一个 vsw 的周期的两个部分，电感两端电压为常数，因此电感电流就近似为三角波。利用电感电流的三角波表达式可以找到输出电压与输入电压的关系。注意，在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，即电感电流波形每个周期开始值与结束值相同，这个条件用来确定一个周期波形的表达式。在实际的 DC-DC 电路中，通常利用二极管来替代电路中的开关 s2。当 s1 开关动作时，由于电感电流突然变化的趋势产生的高电压使二极管导通。在分析时，可先假定二极管是断开的，在此假设下，若二极管两端为反向电压，则二极管就是断开的。若二极管两端为正向电压，则二极管实际上应该导通，认为其短路。实际中，控制 s1 的方波的占空比是用电子电路控制的。当输入电压 Vin 升高时，控制电路自动降低占空比 d，反之则调高占空比，以此来维持输出电压 v0 稳定。
