降壓式變換器的工作原理

降壓式DC/DC變換器，簡稱降壓式變換器，英文為BuckConverter，也稱Buck變換器，是最常用的DC/DC變換器之一。降壓式變換器能將較高的直流電壓變換成較低的直流電壓，例如將24V電壓變換成12V或5V電壓。降壓式變換器的損耗很小，效率很高，應用領域十分廣泛。

降壓式DC/DC變換器的拓撲結構

降壓式DC/DC變換器的拓撲結構如圖2-1-1所示。圖中U I 為直流輸入電壓，VT為功率開關管，VD為續流二極體，L為輸出濾波電感(也稱儲能電感)，C為輸出濾波電容，U O 為直流輸出電壓，R L 為外部負載電阻。脈寬調製器(PWM)用來控制功率開關管VT的導通與關斷，是變換器的控制核心。

圖2-1-1　降壓式DC/DC變換器的拓撲結構

降壓式DC/DC變換器的工作原理

降壓式DC/DC變換器的功率開關管VT在脈寬調製(PWM)信號的控制下，交替地導通與關斷(也稱截止)，相當於一個機械開關高速地閉合與斷開，其工作原理如圖2-1-2所示。圖2-1-2(a)和圖2-1-2(b)分別示出了VT導通和關斷時的電流路徑，為了便於電路分析，圖中用開關S的閉合與斷開來代替VT的導通和關斷。

當VT導通(即S閉合)時，如圖2-1-2(a)所示，續流二極體VD截止，輸入電壓U I 加到儲能電感L的左端，因此L上施加了(U I -U O )的電壓，使通過L的電流I L 線性地增加，電感儲存的能量也在增加，電感的感應電動勢為左「+」右「-」。在此期間，輸入電流(即電感電流I L )除向負載供電之外，還有一部分給濾波電容C充電，電感電流I L 為電容充電電流I 1 和負載R L 電流I O 的總和。

圖2-1-2　降壓式DC/DC變換器的工作原理

當VT關斷(即S斷開)時，如圖2-1-2(b)所示，電感L與U I 斷開。由於電感電流不能發生突變，因此在L上就產生左「-」右「+」的感應電壓，以維持通過電感的電流I L 不變。此時續流二極體VD導通，儲存在L中的磁場能量就轉化為電能，經過由VD構成的迴路繼續向負載供電，電感電流I L 線性地減小。此時，濾波電容C產生放電電流I 2 與電感電流I L 疊加，為負載R L 供電，負載電流I O 為電感電流I L 和電容放電電流I 2 的總和。

小貼示

降壓式變換器是在功率開關管導通時向負載傳輸能量的，屬於正激型變換器。

降壓式DC/DC變換器的電壓及電流波形如圖2-1-3所示。PWM表示脈寬調製波形，t ON 為功率開關管VT的導通時間，t OFF 為功率開關管VT的關斷時間。T為開關周期，其數值為t ON 與t OFF 之和，即T=t ON +t OFF 。其中t ON 與T的比值稱為佔空比，用「D」表示，即D=t ON /T。

圖2-1-3

U E 為功率開關管VT的發射極電壓波形，I C 為VT的集電極電流波形。I F 為續流二極體VD的電流波形。I L 為濾波電感的電流波形。可以看出，功率開關管VT導通時，其發射極電壓U E 等於輸入電壓U I ；在VT關斷時，其發射極電壓U E 為零。在功率開關管VT導通期間，電感電流線性增加；在VT關斷期間，電感電流線性減小。電感電流I L 是由VT的集電極電流I C 和續流二極體VD的電流I F 疊加形成的。

DC/DC變換器的輸出電流I O 為濾波電感電流I L 的平均值。電感電流波形中峰值與谷值之間的差值就是電感紋波電流。為減小輸出電流的紋波，L應選得足夠大，使DC/DC變換器工作在連續模式。通常紋波電流應為額定輸出電流的20%左右。

降壓式DC/DC變換器具有以下特點。

① 輸出電壓U O

② 輸出電壓U O 與輸入電壓U I 的極性相同。

③ 功率開關管VT承受的最大電壓U CE =U I 。

④ 功率開關管VT集電極的最大電流I C =I O 。

⑤ 續流二極體VD的平均電流I F =(1-D)I O 。

⑥ 續流二極體VD承受的反向電壓U R =U I 。

降壓式DC/DC變換器可以由分立元件和PWM控制器構成，也可以選擇集成電路產品。典型的集成電路產品有LM2576、LM2596、L4960等。其中LM2576的外圍電路最簡單。