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0. 本文内容
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占空比如何决定降压和升压电压。
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非隔离式升降压转换器与基于变压器的反激式转换器、LLC转换器和DAB转换器之间的区别。
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包含电感纹波、效率、发热、隔离和安全性的设计流程。
1. 什么是DC-DC转换器？
DC-DC转换器将直流电进行斩波，将能量存储在电感器或变压器中，并提供不同的直流电压和电流。与电阻压降不同，它在理想情况下以电压换电流的方式工作，同时尽可能节省输入功率。实际效率预算包括导通损耗和开关损耗、磁性元件、控制电路和待机功耗；在确定额定值时，输入功率和输出功率不能等同看待。
2. 降压：降压
在开机时，降压转换器将输入能量发送到电感器；在关机时，续流回路维持电流。在连续导通模式下，
其中 D 为占空比，L 为电感，f_s 为开关频率。这是输出纹波较小的连续导通模式 (CCM) 的稳态理想元件结果；忽略了开关压降和电感直流电阻 (DCR)。在轻载情况下，转换器进入断续导通模式，即使在相同的 D 值下，电压关系也会发生变化。德州仪器 (TI) 的设计资料同样分别分析了 CCM 和 DCM 模式。
示例：将 12 V 转换为 5 V，电流为 2 A
假设一个处于连续导通状态的理想降压转换器，其 L=10\,\mu\mathrm{H} 和 f_s=500\,\mathrm{kHz} 为 1。那么 D=5/12\simeq0.417 和 \Delta I_L\simeq0.583\,\mathrm{A} 也为 1。在 2 A 负载下，电感电流会在大约 1.71 A 到 2.29 A 之间波动。选择饱和电流和限流额定值时，应使用峰值电流，而不仅仅是 2 A 的平均值。
此无损示例仅用于说明计算方法，并非元件推荐。请检查最坏情况下的输入、频率容差、瞬态响应和温度。TI SLVA477B 的第 2-3 节将这些计算结果与额定值联系起来。
3. 升压电路：升压及控制挑战
升压电路在导通期间存储能量，然后在关断期间将输入和电感与输出串联。
较大的 D 值会提高理想电压，但开关额定值、电感饱和、二极管反向恢复和控制带宽限制了实际应用。升压电路可能会出现右半平面零点；因此，一个简单的高增益补偿器就可能破坏系统的稳定性。
4. 基本架构
实线箭头传输功率；虚线箭头传输测量值和门控指令。PWM 控制器不在负载功率路径中。
5. 隔离式反激转换器、LLC 和 DAB
反激转换器将能量存储在变压器的励磁电感中，并在开关关断时将其传输到次级。它适用于低功率适配器和辅助电源，但难以处理漏感尖峰和峰值电流。正激转换器在导通期间直接传输能量，需要复位或钳位电路。
LLC 谐振转换器利用漏感、励磁电感和电容器在接近零电压或电流的情况下进行开关。它能够实现高频率和高效率，但超出其输入和负载范围后，控制会变得困难。双有源桥 (DAB) 可双向传输功率。通过两个全桥之间的相移，适用于电池充电器和直流配电。
6. 纹波、损耗和发热
对于采用对称三角波电感电流的 CCM 降压转换器，输出纹波的容性分量可近似表示为：
请勿将此纹波表达式直接应用于升压或 DCM 模式；需根据实际波形重新计算。
增加电容 C 可降低容性纹波，但会增加尺寸和成本。ESR 发热取决于 ESR 和纹波电流，而不仅仅是电容。更高的开关频率 f_s 会以牺牲开关损耗和电磁干扰 (EMI) 为代价来降低纹波。电感器的铜损耗 I^2R 和铁芯损耗、变压器漏电流以及二极管反向恢复电流必须在相同的负载曲线下测量。
7. 拓扑结构比较
| 类型 | 电压/隔离度 | 强度 | 观察点 |
|---|---|---|---|
| 降压 | 降压型，非隔离式 | 高效率，易于控制 | 不能升压到输入电压以上 |
| 升压 | 升压型，非隔离式 | 光伏和燃料电池升压 | 右半平面零点，开关应力 |
| 升降压 | 升压或降压型，非隔离式 | 宽输入范围 | 极性和电流纹波 |
| 反激式 | 隔离式，磁化能量 | 低功耗，元件少 | 尖峰和峰值电流 |
| LLC | 隔离式，谐振式 | 高效率和高频率 | 宽输入范围控制 |
| DAB | 隔离式，双向 | 电动汽车充电，直流电网 | 轻载环流 |
8. 恶劣工况和安全
输入瞬态、短路、浪涌电流和饱和电流都可能使控制器超出其工作范围。需要逐周期电流限制、过压/欠压锁定、软启动、熔断器、绝缘监测和热保护。隔离式设计必须满足爬电距离要求。间隙、变压器耐受能力和故障能量要求。
9. 实际选择
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电池至 12/48 V：当最小输入电压超过输出电压时，采用降压或交错式降压转换器；当输入电压超过输出电压时，采用升降压转换器；当输入电压低于输出电压时，采用升压转换器；检查输入范围、连续电流、瞬态响应和电感温度。
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光伏或燃料电池至直流母线：采用升压或交错式升压转换器；评估最大功率点跟踪 (MPPT)、输入纹波和最大占空比。
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交流适配器：低功率采用反激式转换器，高功率采用 LLC 转换器；优先考虑隔离、待机功耗、电磁干扰 (EMI) 和合规性。
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电动汽车快速充电和直流配电：采用双向 DAB 或隔离式多相设计；包括能量再生、故障功率方向和冷却。
10. 三行总结
直流-直流转换器通过电感 (L)、变压器和电容 (C) 来改变电压。
降压和升压方程仅是连续导通的入口点；纹波、模式转换、补偿和磁损耗是硬件的主要考虑因素。
隔离、短路响应、散热和电磁干扰保护将理想的效率转化为可靠的产品。
降压转换器能否将电压提升到高于其输入电压？
在理想的连续导通状态下，输出电压等于输入电压乘以占空比，且不能超过该值。升压操作需要另一种拓扑结构。
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