降压式DC/DC变换器的拓扑结构与工作原理

降压式DC/DC变换器，简称降压式变换器，英文为BuckConverter，也称Buck变换器，是最常用的DC/DC变换器之一。降压式变换器能将较高的直流电压变换成较低的直流电压，例如将24V电压变换成12V或5V电压。降压式变换器的损耗很小，效率很高，应用领域十分广泛。

降压式DC/DC变换器的拓扑结构

降压式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-1-1所示。图中U I 为直流输入电压，VT为功率开关管，VD为续流二极管，L为输出滤波电感(也称储能电感)，C为输出滤波电容，U O 为直流输出电压，R L 为外部负载电阻。脉宽调制器(PWM)用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。

图2-1-1　降压式DC/DC变换器的拓扑结构

降压式DC/DC变换器的工作原理

降压式DC/DC变换器的功率开关管VT在脉宽调制(PWM)信号的控制下，交替地导通与关断(也称截止)，相当于一个机械开关高速地闭合与断开，其工作原理如图2-1-2所示。图2-1-2(a)和图2-1-2(b)分别示出了VT导通和关断时的电流路径，为了便于电路分析，图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。

当VT导通(即S闭合)时，如图2-1-2(a)所示，续流二极管VD截止，输入电压U I 加到储能电感L的左端，因此L上施加了(U I -U O )的电压，使通过L的电流I L 线性地增加，电感储存的能量也在增加，电感的感应电动势为左“+”右“-”。在此期间，输入电流(即电感电流I L )除向负载供电之外，还有一部分给滤波电容C充电，电感电流I L 为电容充电电流I 1 和负载R L 电流I O 的总和。

图2-1-2　降压式DC/DC变换器的工作原理

当VT关断(即S断开)时，如图2-1-2(b)所示，电感L与U I 断开。由于电感电流不能发生突变，因此在L上就产生左“-”右“+”的感应电压，以维持通过电感的电流I L 不变。此时续流二极管VD导通，储存在L中的磁场能量就转化为电能，经过由VD构成的回路继续向负载供电，电感电流I L 线性地减小。此时，滤波电容C产生放电电流I 2 与电感电流I L 叠加，为负载R L 供电，负载电流I O 为电感电流I L 和电容放电电流I 2 的总和。

小贴示

降压式变换器是在功率开关管导通时向负载传输能量的，属于正激型变换器。

降压式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-1-3所示。PWM表示脉宽调制波形，t ON 为功率开关管VT的导通时间，t OFF 为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期，其数值为t ON 与t OFF 之和，即T=t ON +t OFF 。其中t ON 与T的比值称为占空比，用“D”表示，即D=t ON /T。

图2-1-3

U E 为功率开关管VT的发射极电压波形，I C 为VT的集电极电流波形。I F 为续流二极管VD的电流波形。I L 为滤波电感的电流波形。可以看出，功率开关管VT导通时，其发射极电压U E 等于输入电压U I ;在VT关断时，其发射极电压U E 为零。在功率开关管VT导通期间，电感电流线性增加;在VT关断期间，电感电流线性减小。电感电流I L 是由VT的集电极电流I C 和续流二极管VD的电流I F 叠加形成的。

DC/DC变换器的输出电流I O 为滤波电感电流I L 的平均值。电感电流波形中峰值与谷值之间的差值就是电感纹波电流。为减小输出电流的纹波，L应选得足够大，使DC/DC变换器工作在连续模式。通常纹波电流应为额定输出电流的20%左右。

降压式DC/DC变换器具有以下特点。

① 输出电压U O

② 输出电压U O 与输入电压U I 的极性相同。

③ 功率开关管VT承受的最大电压U CE =U I 。

④ 功率开关管VT集电极的最大电流I C =I O 。

⑤ 续流二极管VD的平均电流I F =(1-D)I O 。

⑥ 续流二极管VD承受的反向电压U R =U I 。

降压式DC/DC变换器可以由分立元件和PWM控制器构成，也可以选择集成电路产品。典型的集成电路产品有LM2576、LM2596、L4960等。其中LM2576的外围电路最简单。