DC-DC的基本调制方式与控制模式的介绍与比较
DC-DC电源基础知识
目录 1、DC-DC电源分类及工作原理 2、DC-DC电源典型电路分析
3、PWM控制原理
4、关键器件选择 5、DC-DC电源PCB布局
DC-DC电源分类及工作原 理
DC-DC电源是一类直流转换为直流的电源。
应用：
数字电路、电子通信设备、卫星导航、遥感遥测、地面雷 达、消防、设备和医疗器械教学设备等诸多领域。
•
当开关处于断开状态时，电感电流为
I Loff
•
toff
0
Vo toff VL dt L L
当开关处于断开期间，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁， 电感减少的磁通为：（Vo）*Toff。
•
存储在电感和电容里的能量释放出来给负载，通过续流二极管形成回路。
DC-DC电源分类及工作原 理
DC-DC电源分类及工作原 理
（1）开关连接
• 当开关处于连接状态时，通过电感的电流为：
I Lon
1 DT DT Vi dt Vi L 0 L
• 当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加 的磁通为：（Vi）*Ton。
DC-DC电源分类及工作原 理
（2）开关断开
V dt V T dI L L
DT DT i i 0 L 0
DC-DC电源分类及工作原 理
（2）开关断开
• 当开关处于断开状态时，通过电感的电流为：
I
off
( 1 D ) T
0
dI
L
( 1 D ) T
0Leabharlann V dt V (1 D)T L L
o o
• 当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）*Toff。
DC-DC变换器讲解学习
输入输出关系：
图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
U otto ofnf ETt otn onE1 E （2-49）
3-25
2.1.5 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
Zeta斩波电路原理
V处于通态期间，电源E经开关
V向电感L1贮能。
V关断后，L1－VD－C1构成振
荡回路， L1的能量转移至C1，
电压源 电压源的变换
o
t
b)
图3-4 升降压斩波电路及其波形
a）电路图
b）波形
3-20
2.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路
稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即
数量关系
T
0 uL dt 0
（2-39）
V处于通态
V处于断态
uL = E
EtonUotoff
uL = - uo
（2-40）
能量全部转移至C1上之后，VD
b) Zeta斩波电路
关断，C1经L2向负载供电。
输入输出关系：
Uo
1
E
图3-6 Sepic斩波电路 和 Zeta斩波电路 （2-50）
相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均
连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。
两种电路输出电压为正极性的。
3-26
t1 E
I 20
t2
E
t
O
EM
t
c) 电流断续时的波形
图3-1 降压斩波电路得原理图及波形
3-4
2.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续
负载电压平均值：
Uoton t otnof
DC-DC工作原理介绍
1
脉冲宽度调制（PWM）
使用PWM技术控制开关管的开关时间，从而改变输出电压的平均值。
2
电感和电容滤波器
使用电感和电容元件对电流和电压进行滤波，以去除噪音和波动。
3
电路拓扑
使用不同的电路拓扑，如升压、降压、半桥和全桥，实现不同的电源变换功能。
DC-DC电源的优势
1 高效能
DC-DC电源能够以高效率进行能量转换，减少能量的损失和浪费。
2 稳定性
DC-DC电源能够提供稳定的输出电压和电流，保障电子设备的正常工作。
3 小型化
DC-DC电源的体积小巧，适合应用于紧凑的电子设备中。
DC-DC电源的应用
移动设备
DC-DC电源广泛应用于手机、平板电脑和可穿戴 设备等移动设备中，为其提供稳定的电源。
通信设备
DC-DC电源被使用于网络设备、路由器和交换机 等通信设备中，为其提供可靠的电源。
• 部分DC-DC电源会产生电磁干扰，可能对其他电子设备造成干扰。 • 不同类型的DC-DC电源有不同的转换效率和功耗特性。 • 部分DC-DC电源需要外部元件（如电感和电容）辅助工作，增加了系统的复杂性。
3
升降型
能够根据输入电压的不同，自动实现升压或降压的功能，广泛应用于电源管理系 统。
常见DC-DC电源的选择和设计
• 根据设备的动态电流需求，选择合适的输出电流和功率。 • 考虑输入电压和输出电压之间的差异，选择合适的变换拓扑。 • 使用模拟或数字控制技术，以提高功率转换的效率和稳定性。
DC-DC电源的缺点和局限性
DC-DC技术的工作原理
DC-DC电源是一种将直流电能转换为不同电压、电流，并提供给其他电子设备 使用的电子元件。它通过不同的电路拓扑实现电能的变换和调整。
直流直流(DCC)变换
直流直流(DCC)变换————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第四章直流—直流（DC-DC）变换将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换称为DC-DC变换，或称直流斩波。
直流斩波技术可以用来降压、升压和变阻，已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，特别是在电力牵引上，如地铁、城市轻轨、电气机车、无轨电车、电瓶车、电铲车等。
这类电动车辆一般均采用恒定直流电源（如蓄电池、不控整流电源）供电，以往采用变阻器来实现电动车的起动、调速和制动，耗电多、效率低、有级调速、运行平稳性差等。
采用直流斩波器后，可方便地实现了无级调速、平稳运行，更重要的是比变阻器方式节电（20～30）%，节能效果巨大。
此外在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。
DC-DC变换器主要有以下几种形式：（1）Buck（降压型）变换器；（2）Boost（升压型）变换器；（3）Boost-Buck（升-降压型）变换器；（4）Cúk变换器；（5）桥式可逆斩波器等。
其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，而桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。
此外还有复合斩波和多相、多重斩波电路，它们更是基本DC-DC 变换器的组合。
4.1 DC-DC变换的基本控制方式DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。
当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图4-1所示。
如果开关K导通时间为，关断时间为，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间、的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。
DC-DC电路设计介绍
1．面积等效原理
除了直流波形可用PWM波形来代替外， 根据面积等效原理可以进一步推出，可以在一 段时间内按一定规则生成PWM波形来代替所 需的任何波形
如用正弦脉冲宽度调制波形来代替正弦波 SPWM
2．直流PWM波形的生成方法
生成PWM波形有多种方法，常见有计算法、 调制法等。
计算法是在每个时间段，利用计算机技术直接 计算出当前所需要的脉冲宽度，进而据此对电 力电子器件进行开关控制而获得PWM波形。
*
Ts 2
*
DI L 2
t
IO
iM t
t
DuC
t
3 主要数量关系—电感电流连续情形
（5）电容电压纹波DuC
DuC
1 C
*
1 2
* Ts 2
*
DI L 2
DI L
1 D L
Ts 2
*
(1 D) 2L
U S ton
TS ton toff ton DTS
(1 D) 8LC
iL
uC R
初值条件?
iL im iC
假设uC= Uo =常数iL线性减少
主要波形 ton toff
t
t
uC
iM t
t
3 主要数量关系—电感电流连续情形
表现系统主要性能指标的量： (1) 平均输出电压Uo (2) 平均输出电流Io (3) 电感电流纹波DIL (4) 负载电压纹波DUO
主要器件承受的电压、电流等量可根据波形确定
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3.2 基本的直流变换电路
基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压 斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路
介绍内容： 1、电路结构 2、工作原理 3、主要波形
第5章_DC-DC变换技术
(5-17)
e D 1 m D e 1
输出电压平均值为
(5-18)
ton E (T ton t x ) EM ton t x Uo 1 m E T T
负载电流平均值为
(5-19)
t on t x t t E U EM 1 ton I o i1 d t i2 d t on x m o t on T 0 T R R
图5-2 降压斩波电路的原理图及波形
5.2.1 降压斩波电路 （Buck Chopper）
■工作原理 ◆电流连续工作状态（电感L足够大，图5-2b） √ ton期间 :V导通 , VD截止 ，uo=E，负载电 流io按指数曲线上升。 √ toff期间 : V关断，VD续流，uo=0 ，负载 电流呈指数曲线下降。 ◆电流断续工作状态（ tx<toff ，图5-2c） √如果L值较小或开关周期T较大，当负载电 流按指数规律下降到tx时，负载电流已衰减到 零。 √ ton期间 :V导通 , VD截止 ，uo=E，负载电 流io按指数曲线上升。 √ tx期间 : V关断，VD导通续流，uo=0 ，负 载电流呈指数曲线下降。 √ toff -tx期间 ： V关断, VD截止 ，uo=EM， 负载电流io=0。
(525)
(526)
Ii
Uo 1 E Io 2 E R
(527)
5.2.2 升压斩波电路 （Boost Chopper）
■典型应用 ◆一是用于直流电动机传动，二是用作 单相功率因数校正（Power Factor Correction—PFC）电路，三是用于其他 交直流电源中。 ◆以用于直流电动机传动为例 ☞在直流电动机再生制动时把电能回 馈给直流电源。 ☞电动机电枢电流连续和断续两种工 作状态。 ☞电枢电流连续时
DC-DC工作原理介绍教学内容
M V 0/V S 1 /(1 D )
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
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L
T
iO VO
R Ig
VS
L
i
i
Vi
+ -
o
T
E
vEO
+
v l
-
i VO O
G
V g
D
iL
L C
i
CC
R
i
o
o
buck 电路图
3.1.1 电路结构和降压原理
1.理想的电力电子变换器 2.降压原理 3.控制方式 4.输出电压LC滤波
Buck变换器电路
全控型开关管
续流二极管
LC输出滤波 负载
1. 理想的电力电子变换器
(1) 脉冲宽度调制方式 PWM (Pulse Width Modulation)
开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度
(2) 脉冲频率调制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation）
脉宽 不变，改变开关频率或周期。
Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？
4.输出电压LC滤波
E(O t)C 0 ancon st)( (3 -1) n 1
n次谐波幅值 a n2 n V Ssin n 2 ) (2 n V Ssin nD )((-3 4)
输出电压的直流平均值
V O C o 2 10 2 v E d ( O t) 2 1 V S 2 1 V S 2 D D s (V -2 3)
Ton DTS
1.两种开关状态 VG=0, T管阻断
T of fT ST on (1D )T S
DC-DC变换基本电路和控制方法综述
文章编号：DC-DC变换基本电路和控制方法综述作者（江南大学物联网工程学院，江苏省无锡市 214122）摘要：近20年来，随着科学技术日新月异的发展，特别是功率开关器件的发展，DC-DC变换的拓扑结构和控制技术取得了很大的成就。
本文主要是对当前DC-DC变换电路——隔离型和非隔离型、两端口和多端口、单向变换和双向变换和控制方法——软开关、移相PWM、同步整流、多电平技术的发展与现状进行综述，并讨论了DC-DC变换器未来发展趋势。
关键词：基本电路;控制方法；隔离型；双向；同步整流中图分类号：文献标识码：1引言DC-DC变换器是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路，这种技术被广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。
上个世纪，随着功率开关器件的发展，变换器拓扑和变换技术已经取得了很大的成就，并且已经发展到一个相当高的水平。
在DC-DC变换器演化过程中，离不开各种直流变换技术，各种新技术的产生和发展很大程度上影响了变换器拓扑的演化。
高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本、小体积是DC-DC变换器的发展方向，各种变换技术也都围绕着提高变换器性能而相继被提出。
本文围绕着DC-DC变换的基本电路——隔离型和非隔离型、单端口和多端口、单向变换和双向变换以及控制方法——软开关、同步整流、移相PWM技术、多电平技术的发展和现状进行综述，并展望直流变换器未来的发展趋势。
2隔离型和非隔离型主要电路2.1非隔离型主要电路DC-DC非隔离型主要电路包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等电路。
2.1.1降压型BUCK电路降压型BUCK电路如下图2.1所示。
工作原理为：当开关晶体管导通时，二极管关断，输入端直流电源Vi将功率传送到负载，图2.1降压型BUCK电路拓扑并使电感储能；当开关晶体管关断时，二极管导通，续流，电感向负载释放能量。
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DC-DC三种基本调制方式的比较
通常来说，DC-DC有三种最常见的调制方式，分别为脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和跨周期调制PSM)[17]。
他们调制行为的示意图可以用如图2-8所表示，下面将分别介绍三种调制方式，以及他们各大自的优缺点。
时钟
PWM
PFM
PSM
图2-8 三种调制方式示意图
1)PWM方式
PWM方式，可称之为定频调宽，即开关频率保持恒定，而通过改变在每一个周期内的驱动信号的占空比来达到调制的目的，这是最常用的一种调制方式[18]。
当输出电压发生变化时，通过环路的控制，便会使驱动信号的占空比发生改变，从而维持输出电压的恒定。
作为最常用的调制方式，PWM方式有以下优点：控制电路简单，易于设计与实现，输出纹波电压小，频率特性好，线性度高，并且在重负载的情况下有及高的效率。
其缺点是随着负载的变轻，其效率也下降，尤其是轻负载的情况下，其效率很低。
2)PFM方式
PFM模式在正常工作时，驱动信号的脉冲宽度保持恒定，但脉冲出现的频率发生改变，即所谓的定宽调频。
当输出电压发生变化时，通过环路的调整，而使脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整。
PFM又可以分为恒定驱动信号的高电位时间以及恒定驱动信号的低电平时间两种方式。
在具有模式切换的DC-DC电路中，PFM也是很常见到的一种调制试。
这种调制方式的优点是：在轻负载的情况下，效率很高，并且频率特性也十分好。
但是在重负载的情况下，其效率会明显低于PWM方式，并且由于其纹波的频谱比较分散，没有多少规律，这使得滤波电路的设计变得十分复杂与困难。
3)PSM方式
PSM方式，可称之为定频定宽。
其驱动信号的频率与宽度都保持恒定，只是，当负载为最重的情况时，驱动信号满频工作，当负载变轻时，驱动信号就会跳过一些开关周期，在被跨过的周期内，开关功率管一直保持为关断的状态。
当负载发生变化时，通过改变跨过周期的数目以及跨周期出现的次数，来实现对系统的调整与控制。
相对于前面的两种控制方式，PSM方式在工业上的应用要晚一些。
相比于PWM方式，在轻负载的情况下，PSM要有更高的效率，并且其开关损耗与系统的输出功率成正比，与负载的变化情况关系不大。
但是这种调控方式，会使输出电压有着比较大的纹波电压，不适合用于为对电源电压精度要求很高的一些系统供电。
通过以上的分析，我们可以知道，三种调控方式各有优缺点，在使用时，我们应该根据电路的应用情况而进行合理的选择。
很多电路中通常都选择PWM与PFM或者PSM相结合的方式，以保证系统在整个负载范围内都有比较高的效率。
本论文由于负载情况相对变化不会太大，所以只采用的了PWM方式对电路进行调制。
DC-DC基本的控制模式式介绍
DC-DC有多种反馈控制方式，如电压模式、峰值电流模式（电流模式）、平均电流模式、相加模式和滞回电流模式等[19]。
其中最常用的便是电压模式与电流模式，下面将对这两种控制方式进行介绍。
1)电压模式
电压模式是一种比较老，也是比较成熟的一种控制方式。
其电路整体结构如图2-9所示。
电路正常工作时，误差放大器直接采样输出信号，然后把输出信号与基准电压的误差信号经过误差放大器放大后，输入到PWM比较器，与振荡器输出的三角波信号进行比较，生成控制信号，来控制开关功率管的开启与关断。
图2-9 电压模式的基本控制结构图
电压模式的DC-DC结构简单，只有一个反馈环路，电路设计比较容易。
由于三角波的幅值相对较大，因此此种控制方式对噪声的抵抗能力很强。
但是电压模式的瞬态响应速度比较慢，尤其是对电源的变化的响应十分慢，不太适合波动比较快的负载。
改进的方法是在电路中加入对输入电压的前馈控制电路。
2)电流模式
图2-10 电流模式的基本控制结构
电流模式在工业上的应用要晚于电压模式，其核心控制结构如图2-10所示。
相比于电压模式，在采样输出电压信号的同时，电路同样对电感上的电流信号进行采集。
电路正常工作时，输出电压与基准电压的误差信号经过误差放大器的放大以后，输出一个控制信号到PWM比较器，同时，电路采样电感上的电流信号，当采样的包含电感电流信号的信号我峰值达到误差放大器输出的控制信号的值时，PWM比较器便会输出一个脉冲信号到控制逻辑到，用来控制关断功率管。
直到下一个时钟周期，驱动信号在在时钟边缘信号的触发下发生翻转，再次开启功率管。
相比于电压模式的DC-DC，电流模式控制的DC-DC有着更快的瞬态响应速度，这是由于它对电感上电流信号的变化进行了直接的采样，因此能够对电源电压的波动做出快速响应，同时对于负载变化的响应也比电压模式有了很大改善。
但是这种控制方式对噪声比较敏感。
更为重要的是，当驱动信号的占空比大于50%，电路容易不可避免的发生次谐波振荡，这需要增加额外的斜率补偿电路来进行解决。
而且，由于电路有两个反馈环路，设计起来要相对复杂。