DCDC拓扑简介

发表于2024-09-18更新于2025-01-08字数统计2k阅读次数

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一个人在毕业之前，确实很难预料毕业之后的工作。

由于本人不是电信专业毕业生，也请不来电信专业考研达人来校对，文章难免有所纰漏，恳请批评斧正。

该文章只是一点小小的记录，像右半平面零点这类绝赞问题还是交给通信和光纤博士来研究比较好（大概

Buck Converter

利用稳态时CCM模式下电感两端感应电压平均值为0，即

来推导输入输出的关系。假设同步模式，在一个周期内Q导通时长为Duty：

  • Q导通，D断开时，
  • Q断开，D导通时，

代入导通时间得

化简得

又

得

代入 ，Q导通时，电感上的电流增量，即电感纹波电流（Inductor Ripple Current）

同理，Q不导通时，

两者大小相同，方向相反。

由此知电感最大电流

由 知电感值

其中，通常取

电容的选型完全不懂，直接看参考中TI的Application Report好了。

Boost Converter

Boost拓扑其实可以认为是 和 镜像一下的Buck。直观点来说，将下图三个Buck器件逆时针旋转一个位置就能得到Boost。

同理，

  • Q导通，D断开时，
  • Q断开，D导通时，

代入导通时间得

化简得

Q导通时，电感上的电流增量，

同理，Q不导通时，

两者大小相同，方向相反。又

由此知电感最大电流

由 知电感值

其中，通常取

电容的选型完全不懂，直接看参考中TI的Application Report好了。

Four-Switch Buck-Boost Converter

Buck-Boost变换器可以看成把Buck的左边和Boost的右边缝合起来。所以它既可以降压，又可以升压，还能升降压。在升降压变换中，SW1和SW4同时导通。如果把SW2和SW3换成两个二极管，那么它就工作在asynchronous模式。

  • Q导通，D断开时，
  • Q断开，D导通时，

化简得

电感计算之类懒得写了，大同小异；电容的选型完全不懂，直接看参考中TI的Application Report好了。

Flyback Converter

很多人哪些？一想到反激电路就觉得这是AC-DC拓扑。但严格来说就只有全桥整流加滤波才算AC-DC。所以把Flyback放在这里再合适不过了。

由于Flyback可以简单看成将Four-Switch Buck-Boost Converter的电感换成变压器，因此它也有升降压功能。又由于电流通过线圈来传递，所以Flyback在副边可以比四管Buck-Boost少一个MOS。这样的话，其实有非常多的Buck和Boost芯片都能改造成Flyback的控制IC。

不同于上述其他几种转换器，由于Flyback的设计功率普遍较小，为了获得低载下更高的效率和稳定性，Flyback经常以临界和DCM模式作为设计目标。本文接下来也以临界模式进行计算。当最大负载下工作于临界模式时，其他负载状态均工作于DCM模式。

设计一个flyback的简单步骤如下：

  1. 计算原边电感，匝数比
  2. 计算峰值电流电压，进行选型
  3. 计算变压器匝数、线径等
  4. 设计反向电动势吸收电路

图中黑色为一次测电流，红色为二次侧电流。可以看到在MOS导通时间内，一次测电流线性上升，二次侧电流为0。此时负载依靠二次侧电容供电。在MOS关断瞬间，一次侧电流变为0，磁场能传递给副边线圈，副边电流开始线性下降。由

假设变压器处没有能量损失，易得

即

对原边电感进行分析，

  • MOS导通时：
  • MOS关断时，经过MOS管电流为零，但原边电感电压不为零。这个电压叫反射电压 ，由变压器基本原理得知

    而关断时时

代入

电压取绝对值得

略微变形后得

通常取 。

在每个周期内对输入功率进行积分，得

在导通时，由 得

同时

将 联立，得

由电感定义式及磁通量的计算式


得出

其中 通常取 。

对一次侧在一个周期内电流产生的热量进行积分计算有效值：

由瞪眼法得出

上述两式联立得出

同理

由电流密度 定义为单位截面积上的电流：

及导线截面积

得出


其中电流密度是一个经验值，对于新手可以尝试取 以下。

当然，我们也不得不考虑趋肤效应的影响。其中，趋肤深度

其中：

  • ρ = 导体的电阻率，铜线在 时电阻率约为 。
  • f = 电源的频率
  • μ = 导体的磁导率，铜的磁导率约为 。

根据上式，铜线在 和 频率下时趋肤深度约为 。网上有说法认为只要保证线径小于两倍的趋肤深度即可。虽然我觉得这个推论可能有点过于简单，但其实这主要还是靠经验，可以先这么来设计。

计算器

效率 η： Vo < 5V, 0.75
5V < Vo < 12V, 0.8
12V < Vo, 0.85
最大占空比 D：
Vin-min-AC：
Vin-min-DC：
Vout：
Va：
Vf：
Fsw：
Pout：
Bm：
Ae(mm2)：
J(A/mm2)：
ρ：
μ：
Np/Ns：
Lp：
Lp(mH)：
Ippk：
Ispk：
Np：
Ns：
Na：
Ip-rms：
Is-rms：
Dp(mm)：
Ds(mm)：
2*δ(mm)：

More…

Reference