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一、什么是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器？
DC-DC 轉(zhuǎn)換器是一種電力電子電路，可有效地將直流電從一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中扮演著不可或缺的角色。這是因?yàn)榕c線性穩(wěn)壓器相比，它們具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。尤其是線性穩(wěn)壓器會(huì)散發(fā)大量熱量，與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比，它們的效率非常低。
DC-DC 升壓電路
在介紹 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 的工作原理之前，看一個(gè)示例，為什么 DC-DC 轉(zhuǎn)換器這么有用？假設(shè)構(gòu)建一個(gè)具有以下要求的電路：
DC-DC 升壓電路
2Ω 負(fù)載電阻
12V 直流電源
5V 負(fù)載電壓
我們需要降低 12V 電池的電壓，為負(fù)載提供 5V 電壓。我們可以將一個(gè)2.8Ω的電阻與負(fù)載串聯(lián)，以提供所需要的電壓。
先計(jì)算電路的效率如下：
DC-DC 升壓電路
從這些計(jì)算中，我們可以看到負(fù)載僅僅消耗了 12.5W 的輸入功率，剩余部分 (30 – 12.5 = 17.5 W) 轉(zhuǎn)化為熱量。
照這么來(lái)看，其實(shí)是有點(diǎn)浪費(fèi)的，如果觸摸串聯(lián)電阻，會(huì)有點(diǎn)熱，這里需要結(jié)合機(jī)制來(lái)冷卻電路，為了獲得更優(yōu)的解決方案，可以看下面的電路：
DC-DC 升壓電路
開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，輸入電壓為 0V，控制在 ON 位置時(shí)，輸入電壓為 12V。下圖分別顯示了開(kāi)關(guān)位置 ON 和 OFF 的等效電路。
DC-DC 升壓電路等效電路
如果我們?nèi)缦聢D（a）所示控制開(kāi)關(guān)，我們得到如下圖（b）所示的電壓圖。T為切換周期，單位為毫秒或微秒。
DC-DC 升壓電路
在這種情況下，這種開(kāi)關(guān)行為的平均輸出電壓為 5V，因?yàn)椋?/p>
DC-DC 升壓電路
該電路的平均輸出電壓為5V，但我們可以通過(guò)使用RC濾波電路去除諧波來(lái)改善輸出波形。
如果我們假設(shè)開(kāi)關(guān)是理想的（理想開(kāi)關(guān)是不消耗或耗散電源的開(kāi)關(guān)），我們可以計(jì)算出該電路的效率為 100%。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于 ON 位置時(shí)，流過(guò)電路的電流為 6A。
由于我們有一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)，耗散功率為 P_diss = RI 2 = 0 * 9 2 = 0W。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉位置時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)開(kāi)關(guān)，因此在這種情況下，耗散功率也為 0。
然而在實(shí)際應(yīng)用中，找到一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)是比較困難的，這就意味著實(shí)際上會(huì)有一些功耗，雖然有功耗，但轉(zhuǎn)換的效率仍舊很高。
二、 DC-DC 升壓電路
DC-DC 升壓電路主要是增加電源的電壓，例如：升壓轉(zhuǎn)換器可以采用 5V 電源并將其升壓至 25V。通常，你會(huì)在電池充電器或太陽(yáng)能電池板中找到 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器。它們還可用于從同一電池為具有不同工作電壓的組件供電。
這種配置將直流電壓升高到由電路中組件選擇決定的水平。這是升壓轉(zhuǎn)換器的一般示意圖。
1、升壓開(kāi)關(guān)打開(kāi)狀態(tài)
升壓開(kāi)關(guān) ON 狀態(tài)
2、升壓開(kāi)關(guān)關(guān)閉狀態(tài)
升壓開(kāi)關(guān)關(guān)閉狀態(tài)
基本配置包括直流電源（Vin）、電感（L）、二極管（D）、開(kāi)關(guān)器件（SW）、平滑電容（C）和負(fù)載電阻（Load），Vout 是輸出電壓。
開(kāi)關(guān)通常是功率電子器件，例如由 PWM 信號(hào)控制的 MOSFET或BJT 晶體管。該 PWM 信號(hào)通過(guò)非常快速地切換晶體管來(lái)工作，通常每秒數(shù)千次。
三、DC-DC 升壓電路工作原理
假設(shè)當(dāng)前的電壓是 5V，需要將 5V 轉(zhuǎn)換為更高的電壓值，用 DC-DC 升壓電路就可以實(shí)現(xiàn)，這里假設(shè)我們是管道工。
1、渦輪加速
首先我們需要加速渦輪。為此，節(jié)氣門打開(kāi)，水快速排放，將部分能量傳遞給渦輪機(jī)，結(jié)果渦輪機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。
DC-DC 升壓電路工作原理
2、填充壓力儲(chǔ)罐
油門關(guān)閉，由旋轉(zhuǎn)的渦輪飛輪半部推動(dòng)的一部分水打開(kāi)閥門并填充儲(chǔ)水箱，另一部分水在儲(chǔ)水箱提供的高壓下流向消費(fèi)者，同時(shí)閥門防止水倒流。
DC-DC 升壓電路工作原理
3、從壓力儲(chǔ)罐發(fā)電并加速渦輪機(jī)
渦輪的速度開(kāi)始下降。水不能再推動(dòng)閥門，儲(chǔ)水箱仍有足夠的能量積累。然后油門再次打開(kāi)，水開(kāi)始快速旋轉(zhuǎn)渦輪。由于消費(fèi)者從儲(chǔ)罐接收能量，因此流向消費(fèi)者的能量不會(huì)停止，然后循環(huán)重復(fù)。
現(xiàn)在工作原理已經(jīng)很清楚了，我們將從管道設(shè)備切換到電子設(shè)備。
DC-DC 升壓電路工作原理
我們用感應(yīng)節(jié)流閥代替了渦輪機(jī)。晶體管用于代替控制水流的節(jié)流閥。二極管起閥門作用，用電代替儲(chǔ)壓罐。
下面就可以很好的理解，DC-DC 升壓電路的工作原理。
1、電感累積電荷
開(kāi)關(guān)已關(guān)閉，電感通過(guò)從源接收電流來(lái)積累能量。
DC-DC 升壓電路工作原理
2、將能量轉(zhuǎn)移到電容
開(kāi)關(guān)打開(kāi)，線圈保持磁場(chǎng)中積累的能量。電流試圖保持在同一水平，但來(lái)自電感的額外能量會(huì)提高電壓，從而打開(kāi)通過(guò)二極管的路徑。一部分能量流向消費(fèi)者，而剩余能量在電容器中積累。
DC-DC 升壓電路工作原理
3、在電感中積累能量并將電荷轉(zhuǎn)移給消耗的電路
然后開(kāi)關(guān)被鎖定，線圈再次開(kāi)始積累能量，同時(shí)，消耗的從電容接收能量。
DC-DC 升壓電路工作原理
四、如何構(gòu)建 DC-DC 升壓電路
在下面中，構(gòu)建一個(gè) 1.5V 至 5V DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，
1、構(gòu)建 DC-DC 升壓 電路所需要的組件：
1.5V 直流電源
180uH 電感一個(gè)
1個(gè)1N3491 二極管
1個(gè)33uF 電容
一個(gè) 150 Ω 電阻
一個(gè) MOSFET或JFET 開(kāi)關(guān)晶體管
PWM 源，如Arduino Uno或555 定時(shí)器，可生成 50KHz、5V、75% 占空比
2、DC-DC 升壓電路工作原理圖
DC-DC 升壓電路
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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