2.4　DC-DC变换电路

DC-DC变换器按输入输出间是否有电气隔离分为两类：不隔离型直流变换器和隔离型直流变换器。

2.4.1　不隔离型DC-DC变换器

不隔离型直流变换器主要有降压型、升压型和升降压型三种基本电路，分别如图2-5（a）～（c）所示。为简单起见，分析电路的工作原理时，均假定开关为理想开关，电路中各元件的内阻忽略不计。另外，输入电压为UI，输出电压为UO，电感电容的值足够大，流经电感的电流与电容两端电压的纹波非常小。

（1）降压型变换器

降压型DC-DC变换器如图2-5（a）所示。开关导通时，加在电感L两端的电压为（UI-UO），这期间电感L由电压（UI-UO）励磁，磁通增加量为ΔΦon=（UI-UO）ton；开关断开时，由于电感电流连续，二极管为导通状态，输出电压UO以与开关导通时相反的方向加到电感L上，在这期间，电感L消磁，磁通减少量为ΔΦoff=UOtoff；稳定状态时，电感L中磁通的增加量与减少量相等，则降压型变换电路的电压变比M=D。由于占空比D小于1，因此，输出电压总低于输入电压，即为降压型变换器。

（2）升压型变换器

升压型DC-DC变换器如图2-5（b）所示。开关导通时，输入电压Ui加在电感L上，电感L由输入电压UI励磁，导通期间，磁通量的增加量为ΔΦon=UIton；开关断开时，由于电感电流连续，二极管变为导通状态，电压（UO-UI）以与开关导通时相反的方向加到电感L上，电感L消磁，开关断开期间磁通减少量为ΔΦoff=（UO-UI）toff；稳定状态时，电感L的磁通增加量与减少量相等，则升压型变换器的电压变比为M=1/（1-D）。由于（1-D）<1，因此输出电压总高于输入电压，即为升压型变换器。

（3）升降压型变换器

升降压型DC-DC变换器如图2-5（c）所示。开关导通时，输入电压UI加在电感L上，电感L励磁，导通期间，电感的磁通增加量为ΔΦon=UIton；开关断开时，由于电感电流连续，二极管变为导通状态，输出电压UO以与开关导通时相反的方向加到电感L上，电感L消磁，磁通减少量为ΔΦoff=UOtoff；稳定状态时，电感L的磁通增加量与减少量相等，则升降压型变换器的电压变比为M=D/（1-D）。这种变换器的输出电压可以高于或低于输入电压，而且M可以任意设定，所以称为升降压型变换器。

对于PWM型变换器而言，控制开关的占空比D就可改变输出电压的大小。对于这类变换器，也可从能量蓄积与释放的观点说明其基本工作原理。电感励磁就是蓄积能量，电感消磁就是释放能量。因此，对于这类变换器，开关导通时，来自输入电源的能量蓄积在电感L上；开关断开时，蓄积在电感L中的能量释放供给负载。它们是改变开关占空比来控制能量的蓄积与释放，获得直流输出的一种方式，所以也称为储能型。电感就是储能元件。

2.4.2　隔离型DC-DC变换器

（1）单端正励式变换电路

正励式开关电源的核心是正励式DC-DC变换器，其基本电路如图2-6所示。其工作过程如下：当开关管V1导通时，输入电压UI全部加到变换器的初级线圈两端，去磁线圈上产生的感应电压则使二极管VD1截止，而次级线圈W2上感应的电压使VD2导通，并将输入电流的能量传送给电感LO、电容C和负载RL；与此同时，在变压器T中建立起磁化电流，当V1截止时，VD2截止，LO上的电压极性反转并通过续流二极管VD3继续向负载供电，变压器中的磁化电流则通过、VD1向输入电源释放而去磁。具有钳位作用，其上的电压等于输入电压UI，在V1再次导通之前，变压器T中的去磁化电流必须释放到零，否则，变压器T将发生饱和，导致V1损坏。通常与圈数相同，采用双线并绕耦合方式。V1的导通时间应小于截止时间，即占空比小于0.5，否则变压器T将饱和。

当需要较大的功率输出时，开关电源的功率变换电路可采用电压叠加式的双正励变换电路，其工作原理如图2-7所示。

电路特点如下。

①两个正励式变换电路并联，T1和T2反相180°驱动，功率增大一倍，输出频率增大一倍，纹波及动态响应改善。

②S1、S2串联，S3、S4串联，开关管耐压减半。

③取消了反馈线圈，二极管VD1、VD2、VD3和VD4均为馈能路径，降低了变压器T1和T2的制作工艺要求。

④具有死区限制特性，两部分电路不存在共态导通问题，可靠性高。

（2）单端反励式变换电路

单端反励式功率变换电路如图2-8所示。其主要组成为晶体管VT、变压器T、整流二极管VD、滤波电容器C和负载电阻RL。变压器T的初级线圈和次级线圈的极性如图中所示，晶体管VT导通时，整流管VD截止，所以称为反励式功率变换电路。

单端反励式变换电路中变压器的磁通也只在单方向变化，开关管导通时电源将能量转换为磁能存储在电压器的电感中；当开关管断开时再将磁能转变为电能传送给负载。变压器的一次绕组和二次绕组要求紧密耦合，变压器耦合通常采用普通导磁材料时必须加气隙，以保证在最大负载电流时铁芯不饱和，因为变压器通过的电流含有直流成分。

单端反励式变换电路有电流连续模式（CCM）和电流断续模式（DCM）两种工作方式。在单端反励式变换电路中，变压器是耦合电感，对于一次绕组的自感，当开关管VT阻断时电流必然为零，因此它的电流不可能连续，但这时在二次绕组的自感上必引起电流。故对单端反励式变换电路来说，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期内不为零。而电流断续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期内有一段时间为零。

（3）推挽式变换电路

推挽式功率变换电路如图2-9所示。开关管VT1、VT2由驱动电路控制其基极，以PWM方式激励而交替通断，输入直流电压被变换成高频方波交流电压。当VT1导通时，输入电源电压E通过VT1施加到高频变压器T的一次绕组N1，由于变压器具有两个匝数相等的主绕组N1，故在VT1导通时，在截止晶体管VT2上施加2倍电源电压（2E）。当基极励磁消失时，一对高压开关管均截止，它们的集电极施加电压均为E。当下半个周期到来时，VT2被激励导通，在截止晶体管VT1上施加2E的电压，接着又是两个晶体管都截止，它们的集电极UCE1和UCE2电压均为E。下一个周期重复上述过程。

在晶体管导通过程中，集电极电流除负载电流成分外，还包含输出电容器的充电电流和高频变压器的励磁电流，它们均随导通脉冲宽度的增加而线性上升。这便是高压开关管稳态运行时集电极电压和电流的基本规律。

在开关管的暂态过程中，由于高频变压器的副边开关整流二极管反向恢复时间内所造成的短路以及为了抑制集电极电压尖峰而设置的LC吸收网络的作用，当高压开关管开通时，将会有尖峰冲击电流；在开关管断开瞬间，由于高频变压器漏感储能的作用，在集-射极间会产生电压尖峰，如图2-10所示。尖峰电压的大小随集电极短路的配置、高频变压器的漏感及电路关断条件的不同而异，该尖峰电压有可能使高压开关管承受2倍以上的输入电压。

（4）全桥式变换电路

全桥式功率变换电路如图2-11所示，它由四个功率开关器件V1～V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两个功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当V1、V4导通时，V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压UI，在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管VD1～VD4钳位于输入电压UI。从图中可以看出，开关管最大耐压值为输入电压值。

全桥式功率变换电路具有以下特点。

①全桥式功率变换电路中，一般选用的功率开关器件的耐压只要大于UImax即可，与推挽式功率变换电路所用的功率开关器件相比需承受的电压要低1/2。

②电路中采用的四个二极管VD1～VD4具有钳位作用，有利于提高电源效率。

③电路中使用了四个功率开关器件，其四组驱动电路需隔离。

（5）半桥式变换电路

半桥式功率变换电路结构与全桥式功率变换电路结构类似，如图2-12所示。只是其中两个功率开关器件用两个容量相等的电容C1和C2代替了。C1和C2的主要作用是实现静态分压，使Ua=。当V1导通、V2截止时，输入电流向C2充电；当V1截止、V2导通时，输入电流向C1充电。当V1导通、V2截止时，承受的电压为输入电压UI，在同等输出功率条件下，功率开关器件V1和V2所通过的电流则为全桥式的2倍。

从图2-12可以看出，V1、V2承受的最大电压均为UI。对于高压输入、大功率输出的情况，一般采用图2-13所示的电路形式。图中，V1、V2为一组，V3、V4为一组，双双串联，可减少单管耐压值。在实际应用电路中，开关器件V1、V2、V3、V4可采用双管或多管并联，以解决大电流输出问题。共用变压器可提高变压器的利用率，并具有抗不平衡能力。

在图2-13中，V1、V2或V3、V4每个开关管的最大耐压值仅为UC1和UC2。电路中，若选定C1=C2，则UC1=UC2=，因此可以选择低耐压的开关管。另外，V1、V2、V3、V4可采用多管并联方式，以解决大电流输出问题。变压器T可以工作在正反方向，大大提高变压器的效率。

2.4.3　常用的低压DC-DC变换电路

DC-DC变换电路实际上也是稳压电路的范畴，与三端可调稳压集成电路相比，DC-DC变换电路具有如下特点：电路工作于开关状态，降低了输出管的功耗，同时提高了电源的利用率；输出低压方式、变换灵活（可以升压变换、降压变换、电压输出极性变换等）。基于以上优势，DC-DC变换电路广泛应用于移动电子设备或节电要求高、主要以电池供电的仪器设备中，如手机、笔记本电脑等数码产品野外电子仪器等。下面主要介绍几种DC-DC变换集成电路的应用电路。

（1）DC-DC变换ICM5291P/FP

M5291是采用8脚封装的直流-直流变换（DC-DC）电路，内部包括1.17V基准电压源、比较器、振荡器、RS触发器、开关管等电路。输入电压范围为2.5～40V，输出电压范围为1.17～40V，输出电流为200mA，工作频率范围为100Hz～100kHz。

M5291不仅可以作升压、降压变换，还可以作负压变换。

图2-14所示电路是由M5291构成的直流升压稳压电路的应用实例。图中，⑤脚为可调节输入端，①、②脚为内部开关管的C、E极，⑦脚为电流检测端，当输入电流大于⑦脚设定值时，电路停止工作而自动保护。③脚外接定时电容，决定振荡频率，接入820pF的电容时，振荡频率约为50kHz，内部开关管则以50kHz的频率导通、截止；饱和导通时，外接三极管VT也饱和导通，+5V电源经R、L、VT到地，由于L中的电流不能突变，电源电能储存于L中，VT很快又截止，L中储存的电能经VD、负载、地、+5V、R形成回路而释放。如此循环往复，形成的PWM信号经VD整流、C2滤波后形成直流电压。

RP、R1为取样反馈电阻，调节RP使输出电压达到要求值，输出电压的大小由UOUT=1.17（1+R1/RP）决定。R设置最大峰值电流，当电路工作的最大电流超过该设定值时，电路停止工作而起到保护作用。峰值电流的设定由下式决定：IP=0.33/R。⑧脚外接电阻为内部驱动管集电极的负载电阻。

图2-15所示电路是由M5291构成的直流降压稳压电路的应用实例，该电路除VT改用PNP管以外，其余部分与图2-14电路的原理、结构基本相同，此处不再重述。

图2-16所示电路是由M5291构成的直流电压极性变换、稳压的应用实例。

（2）超低压输入DC-DC变换器MAX1642/1643

当输入电压低于2V时，要得到较高的电压输出，利用MAX1642/1643等集成电路可以很好地解决这个问题。

MAX1642/1643是高效、超低输入升压型DC-DC变换集成电路，最低输入电压为0.88V，预置输出电压为3.3V，可调节输出为2～5.2V，输出电流为20mA（1.2V输入时）。MAX1642/1643还集成了电池失效检测输入及失效报警输出功能。如图2-17所示，该电路可以把输入低至0.88V的电压转换为2～5.2V输出。

5脚为反馈输入（相当于可调节输入），接地时，输出固定的3.3V，接入R3、R4时，为可调节输出，R3、R4与输出电压之间的关系是：R3=R4（UOUT/1.23-1），R4=100kΩ～1MΩ。调节R3的阻值即可调节输出电压的大小。2脚为电池失效检测输入端，R1、R2设定电池电压失效时发出报警信号的门限值，当电池电压低于该设定数值时，3脚输出低电平作为报警信号，R1、R2之间的关系是：R1=R2（UTH/0.614-1），R2=100kΩ～1MΩ，UTH为门限电压。

（3）输出电压范围宽的DC-DC变换器

LM2574系列输出0.5A电流，具有优异的线性和负载调节特性。有3.3V、5.0V、12V、15V固定输出电压及可调输出。LM2574功耗非常低，印制电路板上的铜线就可以用于散热；在指定的输入电压和输出负载的范围内，保证±4％公差输出，可调输出电压范围为1.23～37V（±4％最大），输出电流为0.5A；宽输入电压范围为4.75～40V。

应用电路如图2-18所示，该电路使用后缀带HV的即LM2574HV可调IC，它的输入电压最大可达60V，输出电压最大达到55V，输出电压通过R2进行调节。

（4）LM2577隔离式DC-DC变换器

LM2577是一种典型的升压型集成开关电源调整器，具有外接元器件少、输入直流电源电压范围宽（3.5～40V）、输出开关电流3A、内部有固定频率（52kHz）振荡器、电流反馈型工作方式的优点，具有软启动、电流限制、欠压锁定和热关闭保护等功能。可以接成简单升压、隔离和多输出电压的开关电源电路；输出直流电压有12V、15V和可调（ADJ）。升压形式的直流开关稳压电源如图2-19所示。它的内部有1.23V和2.5V能隙基准电压单元、52kHz固定频率锯齿波振荡器、RS触发器、晶体管驱动电路和峰值电流可以达到3A的晶体管，还包括峰值电流采样电阻、采样电流放大器、采样电压放大器共同组成的电压、电流误差反馈系统，以达到脉冲宽度调制（PWM）工作方式。另外，还有软启动、欠压锁定、过流限制及热关断等单元。图2-19所示的左侧端电路只需要外接8个元器件。反馈取样1.6kΩ与100Ω电阻的阻值决定输出端的电压值。