dc/dc 降压转换器

Electrical Engineering

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

虽然使用变压器来提高或降低交流电压和电流是很简单的, 但在有效和调节的情况下加强或降低直流电压和电流则需要开关电源转换器。dc/dc 降压转换器采用串联输入开关对输入直流电压进行斩波, 并通过 L C 低通滤波器对切碎电压进行过滤, 以提取平均输出电压。当开关处于开关周期的一部分时, 二极管提供了电感电流的路径。输出电压小于或等于输入电压。

本实验的目的是研究降压变换器的不同特性。在电感电流为非零的连续传导模式 (CCM) 下, 可以观察到该变流器的步进能力。将使用具有手动设置的占空比的开环操作。将观察输入-输出关系的近似值。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. dc/dc 降压转换器. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

线性稳压器 (串联和分流) 可以提供步进能力, 但当输出输入电压比很低时, 效率低下。电压分频器也可以降低直流电压, 但是, 不涉及可变负载的规则。降压转换器因此目前有效和稳健的直流电压的一步下降能力。

为了构建降压转换器, 我们可以从下面的电路图 1 (a) 开始。当开关处于切换周期的一部分 (D) 上时, 输出电压 (vo) 和输入电压 (v在中) 是相等的。当开关的一部分 (1-D) 的期间, 输出电压为零。这产生一个方波输出电压, 其平均值 (由方括号 < >) 小于输入电压: d中的 < vo> = vod + vo(1 维) = vd + 0 (1-d) = v

为了尽量减少输出电流纹波, 从而输出电压纹波与电阻负载, 电感器添加如图 1 (b)。与电感器的问题是, 它保持电流流, 直到所有的存储能量释放, 所以如果开关关闭, 一个大的dI/dt将发生在整个交换机, 因为电流必须流动。因此, 添加一个随心所欲的二极管, 以提供一个电感电流路径, 如图 1 (c) 所示。然而, 电感器的电感将必须非常大, 以便有非常低的输出电压纹波, 必须添加一个电容器, 以减少电感的大小, 并提供一个干净的直流电压输出的负载, 如图 1 (d)。

Figure 1
图1。构建降压转换器的步骤

随着这个实验的进行, 将会显示平均输出电压会随着占空比的增加而增大, D。随着开关频率的提高, 由于电容器的电压充电和放电时间变短, 开关频降低, 输出电压波动会减小。

Procedure

本实验将利用 HiRel 系统提供的 dc-dc 转换板。http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

有关主板操作的信息, 请在本集视频 "HiRel 板介绍" 中找到。

这里所示的程序适用于任何简单的降压转换电路, 可以建立在原始板, 面包板, 或印刷电路板。

1. 安装板

  1. 连接±12信号供应在 "DIN" 连接器, 但保持 "S90" 关闭。
  2. 确保 PWM 控制选择器处于开环位置。
  3. 将直流电源设置为 24 v, 使输出与主板断开。
  4. 在连接负载电阻之前, 将其调整为12Ω。
  5. 通过使用上部 MOSFET、下二极管和 BB 磁性板来构建图2所示的电路。记录电路板上显示的电感值。注意, BB 磁板有一个电感器, 两个端子插入到 dc-dc 转换器 (电源极) 板上。
    1. 在 "V2+" 和 "COM" 之间连接 "RL"。
    2. 请确保开关阵列的 MOSFET 选择, PWM 选择, 和其他设置如图2所示。

Figure 2
图 2.降压转换电路

2. 调整占空比和开关频率

  1. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
  2. 打开 "S90"示波器屏幕上应该出现一个开关信号。
    1. 调整信号时间轴以查看两个或三周期。
    2. 调整频率电位器, 实现频率为100赫 (周期为 10µs)。
    3. 调整比例电位器, 达到50% 的占空比。

3. 降压转换器测试变量输入

  1. 将输入的直流电源 (已设置为 24 V) 连接到 "V1+" 和 "COM"。
  2. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
    1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
  3. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
    1. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
  4. 将输入电压调整为 21 v、18 v 和 15 v, 并对上述每个电压重复上述步骤。
  5. 断开输入直流电源, 并将其输出调整为 24 v。

4. 降压转换器测试变占比

  1. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
    1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
  2. 连接在 "V1+" 和 "COM" 之间设置为 24 V 的输入直流电源。
  3. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
    1. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
    2. 在30% 和70% 之间调整您选择的三步骤的占空比。对上述三项工作比率中的每一项, 重复上述步骤。
  4. 将占空比重置为50%。
  5. 断开输入直流电源。

5. Buck 变换器测试可变开关频率

  1. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
  2. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
  3. 将输入直流电源连接到 "V1+" 和 "COM"。
  4. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
    1. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
    2. 调整开关频率为您选择的三步骤之间的5赫和40赫。对上述三项工作比率中的每一项, 重复上述步骤。
  5. 关闭输入直流电源和 "S90", 然后拆卸电路。

降压转换器产生的直流输出电压小于直流输入。换言之, 降低或降低电源电压。通常使用的线性稳压器通过耗散功率作为电阻的热量来降低电压, 这在输入和输出电压之间有很大的差别, 因此效率很低。当电阻元件通过焦耳加热来浪费电能时, 降压转换器使用的反应元件, 理想地消散没有电源, 因此可以有效地降低电压与相应增加可用电流。在降压转换器中, 开关会捕获直流电源, 从而为低通滤波器创建交流输入。低通滤波器包括电感器和电容器, 并提取平均电压, 只有小的损失, 由于寄生电阻。结果是输出电压小于或等于输入电压。这段视频将说明降压转换器的结构, 并研究如何改变转换器的运行状态影响其输出电压。

这种降压转换电路使用电子开关连接和断开电感从直流电源。这种开关可能是双极晶体管、MOSFET 或其他类似的电子设备。电感器和电容器组成一个低通滤波器与二极管, 提供一个路径的电感电流时, 开关是开放的。低通滤波器的输出连接到负载。数字脉冲火车打开或关闭的开关与占空比, D, 这是与时间的比率。当开关关闭时, 输入到低通滤波器连接到电源电压, V in。二极管变成反向偏置, 不传导和电流流经电感。当开关打开时, 该电感器电流必须在同一方向上继续, 而二极管变得正向偏向, 形成一个完整的电流回路。在输入到低通滤波器, 这种开关换向产生一个矩形波, 振荡之间的 V 在大约零伏。除了一些波纹, 过滤器的输出是矩形波的平均值, 随着占空比的增加而增加。在足够高的开关频率, 电容器充电和放电时间短。因此, 电压波动变小, 结果是一个干净的 dc 输出从直流输入。由于电感器和电容器是反应元件, 所以它们理想地没有电阻功率损耗。理想的 LC 滤波器, 然后可以通过功率的负载与100% 的效率。在实际中, 电感器的导线电阻和其他寄生电阻在电路中, 降低了效率到80到95% 的范围。现在, 降压转换器的基本知识已经讨论, 让我们来看看如何降压转换器步下电压, 并继续作为传导模式, 也称为 CCM, 一个条件时, 电感运行在任何时候与非零电流。

这些实验采用了 HiRel 系统电源杆板, 设计用于各种直流变换器电路拓扑的实验。首先确保信号电源开关 S90 关闭。然后将信号电源插入 DIN 连接器 J90。将 PWM 控制选择跳线、J62 和 J63 设置为开环位置。将直流电源调整为正24伏, 但不要将电源输出连接到主板。用上部 MOSFET、下二极管和 BB 磁板建造电路。在 BB 磁板上记录电感器的值。负载电阻器是一个功率电位器。使用万用表阅读它的阻力, 而调整它的12欧姆。然后连接负载电阻之间的终端 V2+ 和 COM. 设置开关选择器银行 S30 如下。pwm 到上部 MOSFET, 使用板载 pwm 和交换负载关闭。接下来, 将示波器的差分探头连接到15端子之间, 它是上部 MOSFET 的栅极和端子 11, 这是源。打开信号电源开关, S90 并观察驱动 MOSFET 的脉冲列车。设置频率调节电位器, RV60 产生开关频率为100赫兹。设置占空比电位器, RV63, 使脉冲有一个在五微秒的时间。

将差分范围探头连接到15和11端子之间, 分别是上部 MOSFET 的栅极和源。为了测量负载电阻的电压, RL, 连接 V2+ 和 com 终端之间的其他差分探头. 将直流电源连接到输入终端, V1+ 和 com. 观测输出电压的三角形波形和矩形脉冲列开关信号当降压转换开关关闭时, 输出电压的上升斜坡出现, 电感器将能量传递给电容器和负载。当开关打开时, 向下的斜坡发生, 电感器与输入电压源断开连接, 电容器放弃一些储存的能量给负载。其次, 测量输出电压的平均值和栅极源电压的时间值。请注意直流电源的输入电流和电压读数。重复此测试后调整占空比电位器, RV64, 使脉冲列车有责任比 0.4, 0.6 和0.7。随着占空比的增加, 降压变换器的平均输出电压也随之增加。理想情况下, 如果 D 的值为 0.3, 则输入的24伏特会产生大约7.2 伏的输出。同样, 如果 d 是 0.5, 那么输出将是约12伏特或如果 d 是 0.7, 那么输出将是大约16.8 伏, 等等。

将占空比设置为 0.5, 然后将输入直流电源连接到 V1+ 和 COM 终端. 设置 RV60 以产生100赫兹的开关频率。像以前一样, 输出电压波形是由低通滤波器作用于矩形波输入的三角形波。栅极源电压是一种频率为100赫兹的数字脉冲列车。10微秒和五微秒的时间段。测量输出电压的平均值和栅极对源电压的时间。请注意直流电源的输入电流和电压读数。在调整 RV60 到10、20和40赫兹的开关频率后重复此测试, 其占空比固定在0.5。随着频率的增加, 输出纹波减小, 因为电容器的充电和放电次数也会减少。一般来说, 输出电压在这个实验中是小于预期的理想关系。这种偏差是由于电感器中的导线电阻和电路中的其他电阻等寄生元件造成的, 从而产生非理想的电压降和不明的能量损耗。

降压转换器提供了良好的控制电压调节与一个伴随的步骤在当前, 使他们的关键应用与最低功率损耗的转换过程。笔记本电脑的功耗大大降低, 这是由于微处理器的发展, 其操作仅有1.8 或0.8 伏。笔记本电脑和遥控设备使用降压转换器, 以减少锂电池的电压, 这些低值, 延长了有用的电池寿命和加强电池电流, 以满足集成电路的需要与数百万的晶体管。手机等电子设备使用标称电池电压的锂离子电池, 约3.6 到3.7 伏。然而, 标准电池充电器与 USB 连接器提供五伏。电子装置中的降压转换器将 USB 输出降低到充电锂离子电池所需的较低电压。

你刚刚看过朱庇特的介绍降压转换器。您现在应该了解它们的操作以及直流输出如何取决于占空比和开关频率。谢谢收看

Results

预期理想降压转换器的输出输入电压关系与工作周期或占空比D有关。如果输入电压是V , 并且输出电压是v, v出/v 在 = D, 其中 0≤d≤100%。因此, 对于输入电压为 24 v, v≈ 12 v 为 D = 50%, vou≈ 7.2 v 为d = 30%, 和v≈ 16.8 v 为d = 70%。然而, 理想关系中的输出电压将低于预期, 这与占空比是线性的, 主要原因是理想的 buck 变换器模型不考虑转换器中的非理想和电压下降。

Applications and Summary

降压转换器是非常常见的电子设备充电器, 他们提供了良好的电压调节要求电池充电。它们通常用于电力系统的电源, 如电源计算机、集成电路和电子电路板, 以及可再生能源应用和电池馈电设备。

本实验将利用 HiRel 系统提供的 dc-dc 转换板。http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

有关主板操作的信息, 请在本集视频 "HiRel 板介绍" 中找到。

这里所示的程序适用于任何简单的降压转换电路, 可以建立在原始板, 面包板, 或印刷电路板。

1. 安装板

  1. 连接±12信号供应在 "DIN" 连接器, 但保持 "S90" 关闭。
  2. 确保 PWM 控制选择器处于开环位置。
  3. 将直流电源设置为 24 v, 使输出与主板断开。
  4. 在连接负载电阻之前, 将其调整为12Ω。
  5. 通过使用上部 MOSFET、下二极管和 BB 磁性板来构建图2所示的电路。记录电路板上显示的电感值。注意, BB 磁板有一个电感器, 两个端子插入到 dc-dc 转换器 (电源极) 板上。
    1. 在 "V2+" 和 "COM" 之间连接 "RL"。
    2. 请确保开关阵列的 MOSFET 选择, PWM 选择, 和其他设置如图2所示。

Figure 2
图 2.降压转换电路

2. 调整占空比和开关频率

  1. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
  2. 打开 "S90"示波器屏幕上应该出现一个开关信号。
    1. 调整信号时间轴以查看两个或三周期。
    2. 调整频率电位器, 实现频率为100赫 (周期为 10µs)。
    3. 调整比例电位器, 达到50% 的占空比。

3. 降压转换器测试变量输入

  1. 将输入的直流电源 (已设置为 24 V) 连接到 "V1+" 和 "COM"。
  2. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
    1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
  3. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
    1. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
  4. 将输入电压调整为 21 v、18 v 和 15 v, 并对上述每个电压重复上述步骤。
  5. 断开输入直流电源, 并将其输出调整为 24 v。

4. 降压转换器测试变占比

  1. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
    1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
  2. 连接在 "V1+" 和 "COM" 之间设置为 24 V 的输入直流电源。
  3. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
    1. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
    2. 在30% 和70% 之间调整您选择的三步骤的占空比。对上述三项工作比率中的每一项, 重复上述步骤。
  4. 将占空比重置为50%。
  5. 断开输入直流电源。

5. Buck 变换器测试可变开关频率

  1. 将差分探头通过栅极连接到上 MOSFET 的源。
  2. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
  3. 将输入直流电源连接到 "V1+" 和 "COM"。
  4. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
    1. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
    2. 调整开关频率为您选择的三步骤之间的5赫和40赫。对上述三项工作比率中的每一项, 重复上述步骤。
  5. 关闭输入直流电源和 "S90", 然后拆卸电路。

降压转换器产生的直流输出电压小于直流输入。换言之, 降低或降低电源电压。通常使用的线性稳压器通过耗散功率作为电阻的热量来降低电压, 这在输入和输出电压之间有很大的差别, 因此效率很低。当电阻元件通过焦耳加热来浪费电能时, 降压转换器使用的反应元件, 理想地消散没有电源, 因此可以有效地降低电压与相应增加可用电流。在降压转换器中, 开关会捕获直流电源, 从而为低通滤波器创建交流输入。低通滤波器包括电感器和电容器, 并提取平均电压, 只有小的损失, 由于寄生电阻。结果是输出电压小于或等于输入电压。这段视频将说明降压转换器的结构, 并研究如何改变转换器的运行状态影响其输出电压。

这种降压转换电路使用电子开关连接和断开电感从直流电源。这种开关可能是双极晶体管、MOSFET 或其他类似的电子设备。电感器和电容器组成一个低通滤波器与二极管, 提供一个路径的电感电流时, 开关是开放的。低通滤波器的输出连接到负载。数字脉冲火车打开或关闭的开关与占空比, D, 这是与时间的比率。当开关关闭时, 输入到低通滤波器连接到电源电压, V in。二极管变成反向偏置, 不传导和电流流经电感。当开关打开时, 该电感器电流必须在同一方向上继续, 而二极管变得正向偏向, 形成一个完整的电流回路。在输入到低通滤波器, 这种开关换向产生一个矩形波, 振荡之间的 V 在大约零伏。除了一些波纹, 过滤器的输出是矩形波的平均值, 随着占空比的增加而增加。在足够高的开关频率, 电容器充电和放电时间短。因此, 电压波动变小, 结果是一个干净的 dc 输出从直流输入。由于电感器和电容器是反应元件, 所以它们理想地没有电阻功率损耗。理想的 LC 滤波器, 然后可以通过功率的负载与100% 的效率。在实际中, 电感器的导线电阻和其他寄生电阻在电路中, 降低了效率到80到95% 的范围。现在, 降压转换器的基本知识已经讨论, 让我们来看看如何降压转换器步下电压, 并继续作为传导模式, 也称为 CCM, 一个条件时, 电感运行在任何时候与非零电流。

这些实验采用了 HiRel 系统电源杆板, 设计用于各种直流变换器电路拓扑的实验。首先确保信号电源开关 S90 关闭。然后将信号电源插入 DIN 连接器 J90。将 PWM 控制选择跳线、J62 和 J63 设置为开环位置。将直流电源调整为正24伏, 但不要将电源输出连接到主板。用上部 MOSFET、下二极管和 BB 磁板建造电路。在 BB 磁板上记录电感器的值。负载电阻器是一个功率电位器。使用万用表阅读它的阻力, 而调整它的12欧姆。然后连接负载电阻之间的终端 V2+ 和 COM. 设置开关选择器银行 S30 如下。pwm 到上部 MOSFET, 使用板载 pwm 和交换负载关闭。接下来, 将示波器的差分探头连接到15端子之间, 它是上部 MOSFET 的栅极和端子 11, 这是源。打开信号电源开关, S90 并观察驱动 MOSFET 的脉冲列车。设置频率调节电位器, RV60 产生开关频率为100赫兹。设置占空比电位器, RV63, 使脉冲有一个在五微秒的时间。

将差分范围探头连接到15和11端子之间, 分别是上部 MOSFET 的栅极和源。为了测量负载电阻的电压, RL, 连接 V2+ 和 com 终端之间的其他差分探头. 将直流电源连接到输入终端, V1+ 和 com. 观测输出电压的三角形波形和矩形脉冲列开关信号当降压转换开关关闭时, 输出电压的上升斜坡出现, 电感器将能量传递给电容器和负载。当开关打开时, 向下的斜坡发生, 电感器与输入电压源断开连接, 电容器放弃一些储存的能量给负载。其次, 测量输出电压的平均值和栅极源电压的时间值。请注意直流电源的输入电流和电压读数。重复此测试后调整占空比电位器, RV64, 使脉冲列车有责任比 0.4, 0.6 和0.7。随着占空比的增加, 降压变换器的平均输出电压也随之增加。理想情况下, 如果 D 的值为 0.3, 则输入的24伏特会产生大约7.2 伏的输出。同样, 如果 d 是 0.5, 那么输出将是约12伏特或如果 d 是 0.7, 那么输出将是大约16.8 伏, 等等。

将占空比设置为 0.5, 然后将输入直流电源连接到 V1+ 和 COM 终端. 设置 RV60 以产生100赫兹的开关频率。像以前一样, 输出电压波形是由低通滤波器作用于矩形波输入的三角形波。栅极源电压是一种频率为100赫兹的数字脉冲列车。10微秒和五微秒的时间段。测量输出电压的平均值和栅极对源电压的时间。请注意直流电源的输入电流和电压读数。在调整 RV60 到10、20和40赫兹的开关频率后重复此测试, 其占空比固定在0.5。随着频率的增加, 输出纹波减小, 因为电容器的充电和放电次数也会减少。一般来说, 输出电压在这个实验中是小于预期的理想关系。这种偏差是由于电感器中的导线电阻和电路中的其他电阻等寄生元件造成的, 从而产生非理想的电压降和不明的能量损耗。

降压转换器提供了良好的控制电压调节与一个伴随的步骤在当前, 使他们的关键应用与最低功率损耗的转换过程。笔记本电脑的功耗大大降低, 这是由于微处理器的发展, 其操作仅有1.8 或0.8 伏。笔记本电脑和遥控设备使用降压转换器, 以减少锂电池的电压, 这些低值, 延长了有用的电池寿命和加强电池电流, 以满足集成电路的需要与数百万的晶体管。手机等电子设备使用标称电池电压的锂离子电池, 约3.6 到3.7 伏。然而, 标准电池充电器与 USB 连接器提供五伏。电子装置中的降压转换器将 USB 输出降低到充电锂离子电池所需的较低电压。

你刚刚看过朱庇特的介绍降压转换器。您现在应该了解它们的操作以及直流输出如何取决于占空比和开关频率。谢谢收看

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