串联电感式变换器分类及工作原理

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什么是串联电感式变换器DC/DC？按拓扑结构分成几类？
串联电感式变换器是一种经典的直流-直流变换器拓扑。其特点是将电感与开关管串联在输入与输出回路中，通过周期性地控制开关管的通断，使电感交替储存和释放能量，从而实现电压的变换（升压或降压）。

主要分为三类

一、升压式DC/DC变换器(BOOST拓扑结构)

如图所示

在该电路中，U1为控制电路，L为储能电感，VT1为场效应开关管，VD为续流管，C为滤波电容。R1、R2为稳压分压取样电阻。
工作原理:

①控制电路输出PWM信号，驱动开关管VT高频率导通和截止。

②当开关管VT导通时，电源VlN给L充电储能，此时VD截止，电容C为负载供电。

③当开关管VT截止时，由于电流不能突变，因此L上产生左“-”右“+”感应电势V1，电源电压+V1N与V1叠加在一起，使VD导通(续流)，给C充电及负载使用。此时输出电压为:Vout=VlN+V1

④稳压:输出电压Vout经R1、R2分压取样，再经反馈电路反馈回控制电路，控制电路根据反馈信号适时调整PWM占空比，稳定输出电压。

该电路常应用在手机电源、LED驱动、键盘灯驱动、相机闪光灯等电路中。

⑤应用电路如图示



该图为一个LED驱动电路，采用BOOST升压结构。

二、降压式DC/DC变换器(BUCK拓扑结构)

如图示



在该电路中，U1为控制电路，VT1为场效应开关管，L为储能电感，VD为续流管，C为滤波电容，R1、R2为稳压分压取样电阻。

工作原理:

①开关管VT导通阶段：开关管VT闭合，输入电压Vin直接加在电感L与负载两端。电感电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感中，同时为负载供电并为输出电容C充电。此时续流二极管VD因反偏而截止。

②开关管VT关断阶段：开关管VT断开，电感L电流不能突变，其自感电动势极性反转，产生左“-”右“+”的电势，迫使续流二极管VD导通，构成续流回路。电感L中储存的磁能转化为电能，给C充电及维持负载电流。

③降压原理:通过PWM信号高频、周期性地控制开关管VT的通断时间（占空比D），在电感L两端得到一个幅值为Vin、宽度受控的脉冲电压。该脉冲电压经LC滤波器平滑滤波后，在负载上得到平均直流输出电压 Vo ut= D * Vin。由于占空比D<1，因此实现了降压功能。输出电容在整个过程中起到稳定输出电压、减小纹波的作用。

④应用电路:



该电路即为降压型(BUCK)拓扑结构。

三、升降压DC/DC变换器(BUCK-BOOST拓扑结构)

如图示



该电路即为其简图，Q1为场效应开关，D1为续流管，L1为储能电感。C1为输入滤波电容，C2为输出滤波电容。

工作原理:

①开关管Q1导通阶段（储能阶段）

PWM控制器使开关管Q1导通，此时，输入电压（Vin）直接加在整个电感L1两端，电能转化为磁能储存于电感L1中。

此时，二极管D1因承受反向电压反偏截止，完全隔离了输入与输出回路。
如图示



此阶段，负载完全由输出电容C2放电来维持供电。

②开关管Q1关断阶段（释能阶段）

PWM控制器使开关管Q1关断。

电感L1因电流不能突变，会产生感应电动势以维持原电流方向。其极性“翻转”，变为上“-”下“+”。

这个感应电压，使二极管D1正偏导通。电感L1中储存的磁能转化为电能，通过二极管D1向输出电容C2和负载释放，并对电容充电。




此阶段，输入电源不直接提供能量给负载。

③输出电压由电感的“伏秒平衡”原理决定。通过控制开关管的占空比（D），即可连续调节输出电压：Vo ut= Vin × [D / (1-D)。

当 D < 0.5 时，(D/(1-D)) < 1，电路处于降压模式。

当 D > 0.5 时，(D/(1-D)) > 1，电路处于升压模式。