xl-DCDC1

（3）构成dc/dc变换器电路的基本原则
串联开关S1和并联开关S2应互补工作，以保证能一直 提供电流和不短路电源 应有低通滤波元件以保证电路性能
（4）最基本的dc/dc变换器
C流过S1产生的高频电流，使i1平滑 L平滑S2产生的高频电压，使V2无脉动
（5） 低通滤波器的选择
问题1：并联C能否使i1 的脉动电流满足要求？ V1恒定，有一定的内阻R，S1、S2互补； 假设1： L＝∞，Δi2＝0， 电感电流恒定i2＝I2，分析Δi1
（1）连接一个电源和负载 （2）连接两个电源 （3）构成dc/dc变换器电路的基本原则 （4）最基本的dc/dc变换器 （5） 低通滤波器的选择
1.2 基本开关单元
直接式变换器 间接式变换器
（1）连接一个电源和负载
可实现电压的变换（平均值） 无论是电源侧电流或负载侧电压均脉动
很大，产生电磁干扰
并联
课堂习题
例：假设一降压型变换器，其电气规格为： 输入电压：35V~70V 输出电压：5V 输出电流：1A~5A 工作频率：25kHz 纹波电流 ΔIL < 2IO,min = 2 A 纹波电压： ΔVo < 50mV
若要使其工作在CCM情况，试设计满足以上条件所须 之电感值与电容值
并选择功率开关管与续流二极管
推导输出电压和输入电压关系式要点：
CCM方式： 电感电流上升量=电感电流下降量 TON 期间磁通变化量= TOF期间磁通变化量 在一个周期内电感电压平均值为零
即伏-秒平衡。
稳态工作特点
• 稳态时储能元件一个开关周期具有以下特点：
T
∫ 电感L：电流变化量/伏秒面积为0 0 uLdt = 0
T
∫ 电容C：电压变化量/安秒面积为0 0 iC dt = 0
视具体V1、V2阻抗，选择适当的低通滤波器
1 DC/DC变换器的电路拓扑分析
1.1 基本的直直变换器
（1）连接一个电源和负载 （2）连接两个电源 （3）构成dc/dc变换器电路的基本原则 （4）最基本的dc/dc变换器 （5） 低通滤波器的选择
1.2 基本开关单元
直接式变换器 间接式变换器
1.2 基本开关单元
⋅ Ts 2
=
ΔI LTs 8C
电路参数选择（电容）
代入ΔI值
ΔI L
=
VoTs L
(1 −
D)
可知纹波
ΔVo
=
ΔI LTs 8C
化简
= Ts2Vo (1 − D) 8CL
ΔVo
=
π
2Vo 2
(1−
D)(
fc fs
)2
fs = 1/ Ts
fc = 1/ 2π LC
电容参数选择
ΔVo
=
电路参数选择（电容）
A
UL
D
UL
电路参数选择（电容）
电容电流的脉动量为电感电流 的脉动量；电容电流在1/2周期 内充电，在1/2周期内放电
电容在正半周时，所充电荷即 为其正向电流的积分
ΔQ = 1 ⋅ ΔIL ⋅ Ts 22 2
电容输出电压脉动分量
ΔVo
=
ΔQ C
=
1 C
⋅ 1 ⋅ ΔIL 22
π
2Vo 2
(1−
D)(
fc fs
)2
fc = 1/ 2π LC
如果要求输出电压纹波减少，则须在设计上将低通滤波器 之转折频率之值远小于变换器之工作频率，也就是说， L、C值愈大，其电压纹波愈小。
根据系统所能容忍的电压纹波规格，即可计算出输出滤波 电容大小
ΔVo
=
Ts2Vo 8CL
(1 −
D)
变压器：磁通变换量/伏秒面积为0
能量守恒原则：储能能量=释放能量 输入输出有功功率相等
T
∫0 uN dt = 0
Characteristics of Buck:
1. step-down ;
2. simple, requiring only one transistor;
3. with the di/dt of the load current limited by inductor L, however the input current discontinuous and a smoothing input filter normally required;
L Δi2 DT
= (1 − D)V1
Δi2
=
1 L
D(1 −
D)TV1
V2端的脉动电压为：
Δv2 = RΔi2
=
R L
D(1 −
D)TV1
（5） 低通滤波器的选择
问题2：串联L，能否保证V2的脉动电压满足要求？
Δv2
=
R L
D(1 −
D)TV1
分析：
1）v2为低阻抗源时，只用L 滤波器即可 2）v2为高阻抗源时（R有一定值），需要很大的L才能保证Δv2 较小（这将增加电路成本和体积）。 3）L有限时，需要在V2端并联电容，以减小其高f阻抗，使Δv2 满足要求（由此可减小L体积重量）。
• 应当选取所有工作条件下的最大电感值
电路参数选择（电感）
L = Uo ⋅ (1− D) ⋅T 2 I o min
当负载最小电流过小时
由于保证CCM时，电感取值与最小电流成反比 所以根据公式，会造成电感量过大，从而电源系统
体积大 通常，可以在负载端加入假负载以提高最小电流; 或
局部工作在断续模式
压均脉动很大。
A
滤波电路消除谐波
y
B
x z
1.2 基本开关单元 直接式变换器 间接式变换器
L
C
2 直接式DC/DC变换器
2.1 直流变化比 2.2 以AB作为输入，CB为输出⇒Buck 2.3 以CB为输入、AB为输出⇒Boost 2.4 电流断续时的特性 2.5 电压二象限dc/dc变换器 2.6 电流二象限dc/dc变换器 2.7 四象限变换器
=
U0 N
TOF
U0 = TON = D Ui Ts
CCM下推导电压关系式的另外方法
• 在一个周期内电感电压平均 值为零,即伏特-秒平衡:
∫ ∫ ∫ Ts
0
uLdt
=
n 0
uLdt
+
Ts Ton
uLdt
=0
(Ui ) −U0 Ton =U0(Ts −Ton)
U 0 = Ton = D
Ui
Ts
分析方法小结
因为I1>0，I2<0，iy>0 （当Sxy导通） Syx晶体管
Sxz：因为V1>0，Vxz>0 （当Sxz断开） 因为I2<0，iz<0 （当Sxz导通 ) Sxz二极管
2.2 以AB作为输入，CB作为输出的变换器
V2<V1 : 降压型变换器 Syx晶体管 Sxz二极管
由于负载有一定阻抗，所以V2端必须有滤波电容 Buck变换器
(1− 0.071)
= 0.0929μΗ
为了确保变换器能够工作在 CCM，所以，L 值可以选定比设计值稍大之值即可， 在此选定 L 值为 0.15 mH 。
解答
输入电压：35V~70V ；输出电压：5V；输出电流： 1A~5A；工作频率：25kHz；纹波电流 ΔIL < 2IO,min = 2A
Ts
=
1 fs
=
1 25 ×103
= 40μ s
DH
=
5 35
= 0.143
且
DL
=
5 70
=
0.071
L
=
VoTs ΔIL
(1−
DL )
=
5× 40 ×10−6 2
C = Ts2Vo (1− D) 8LΔVo
电路参数选择（电容）
根据输出纹波大小即可以确定输出电容大小：
考虑到等效电阻和串联电感，实际的电容特性
电容参数选择
ESRmax
≤
ΔVo,max ΔIC
• 在选择电容器时，还有一个重要的考虑参数就 是纹波电流（ripple current），则可计算得知
电路参数选择（电感）
当输出负载恒定
由于保证CCM时，电感取值与最小电流成反比 而最小电流与负载电流差别不大，也即临界电流与
额定负载时差别不大 所以这种设计，会造成电感量过小，电流纹波过大 这种情况下，通常在进行电感量计算时，将IG进行
减小处理: IG=(1/5~1/3)Iomax
L = Uo ⋅ (1− D) ⋅T 2 I o min
直接式变换器:
V1 、 V2 以 A 或 B 为 公 共 点 ，（输入/输出）（B/C）
C
或（A/C）有通过开关的直接 A
连接通道。
y
B
x z
间接式变换器：
以C为公共点，A、B不存 在直接连接通道，必须借助储 能元件实现能量交换。
L
C
DC/DC变换器的电路拓扑分析小结
1.1
开关电路 C
电源侧电流或负载侧电
工作方式定义
iL连续模式（CCM） （continuous conduction mode）
在一个开关周期内电感电流iL均大于 零。
iL断续模式（DCM）
（discontinuous conduction mode） 在Q管OFF期间(TOF)， iL下降到零
临界模式
③ CCM下输入输出电压关系
C
A
y
B
x z
L
C
2.1 直流变化比
V2
= VXZ
=
1 T
⋅V1DT