北京交通大学：《电路分析》课程教学资源（讲义）02 DC-DC电压转换电路原理研究

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组W.yDC-DC电压转换电路原理研究一。背景在各种电子设备中，经常需要将输入的直流电压转换到电路所需要的直流电压，同时，将不稳定的直流电压变成稳定的电压，这种电路称为DC-DC电源电路。电路通常由电子开关器件和起储能和平滑作用的电感和电容构成。用动态电路分析方法可以解释这种电路的工作原理。二、原理如图1(a)所示的电路中，脉冲电压源的电压经过电感和电容的平滑，在电阻上得到平滑的近似直流电压。很显然，电压的平均值与方波的幅度和占空比有关。占空比定义为d=T调解占空比就可以改变输出直流电压。20.mHTJerT(a)(b)图1脉冲电压平滑得到直流电压实际的DC-DC转换电路需要把直流电压变换为另外一种直流电压，方法是先将直流电压变成脉冲电压，再进行平滑得到不同的支流电压。图2是降压转换器的原理电路，图3是升压转换器的原理电路。图中Vin是输入电压，vo是输出电压。电路中两个开关周期交替闭合，由周期方波电压Vsw控制（图4）。在vsw一个周期开始的0--ti期间，s1闭合，s2断开如图2(a)和图3(a)：在ti--T期间，s1断开s2闭合，如图2(b)和图3(b)。在这两个典型的电压变换电路中，开关动作产生电压脉冲变化，电感和电容储存能量，平滑输出电压。1

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. DC-DC 电压转换电路原理研究 一．背景 在各种电子设备中，经常需要将输入的直流电压转换到电路所需要的直流电压，同时， 将不稳定的直流电压变成稳定的电压，这种电路称为 DC-DC 电源电路。电路通常由电子开 关器件和起储能和平滑作用的电感和电容构成。用动态电路分析方法可以解释这种电路的工 作原理。 二．原理 如图 1(a)所示的电路中，脉冲电压源的电压经过电感和电容的平滑，在电阻上得到平滑 的近似直流电压。很显然，电压的平均值与方波的幅度和占空比有关。占空比定义为 T t d 1  调解占空比就可以改变输出直流电压。 t1 T (a) (b) 图 1 脉冲电压平滑得到直流电压 实际的 DC-DC 转换电路需要把直流电压变换为另外一种直流电压，方法是先将直流电 压变成脉冲电压，再进行平滑得到不同的支流电压。 图 2 是降压转换器的原理电路，图 3 是升压转换器的原理电路。图中 Vin 是输入电压， v0 是输出电压。电路中两个开关周期交替闭合，由周期方波电压 vsw控制（图 4）。在 vsw一 个周期开始的 0- t1 期间，s1 闭合，s2 断开如图 2(a)和图 3(a)；在 t1-T 期间，s1 断开 s2 闭 合, 如图 2(b)和图 3(b)。 在这两个典型的电压变换电路中，开关动作产生电压脉冲变化，电感和电容储存能量， 平滑输出电压。 1

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组W.y+s,L-20mHRCSV100250uF(a)+S1iLL=20mHR10002V05OuF(b)图2降压转换器YxL-20mH izRCSVo100250uF(a)S+L-20mHi,RSSVo100250uF(b)图3升压转换器t11S1断开S1闭合S2闭合S2断开图4开关动作的控制电压三。问题和要求（1）当开关周期动作重复多次后，电路中电压电流变成周期性波形。设周期T=0.05mS，求出电感电流一个周期的波形。计算时可假定输出电压近似为常数。（2）求出两种电路中输出电压与输入电压的关系。图4电压波形中，脉冲宽度t，与周期T的比值d=t/T称为脉冲波形的占空比。证明改变占空比d可以调整输出电压的高低。（3）在EWB或Multisim中，用电压控制开关构建DC-DC电路的仿真电路。用20kHz的脉冲波形控制开关的切换（仿真时使用压控开关），验证理论分析结果。2

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. Vin R 0 v 1 s Li 2 s Vin R 0 v 1 s Li 2 s 图 2 降压转换器 Vin R 0 s1 v 2 s Li Vin R 0 1 v s Li 2 s 图 3 升压转换器 t sw v 5 T 1t 1t 0 S1闭合 S2断开 S1断开 S2闭合 Li 图 4 开关动作的控制电压 三．问题和要求 （1）当开关周期动作重复多次后，电路中电压电流变成周期性波形。设周期 T = 0.05ms， 求出电感电流一个周期的波形。计算时可假定输出电压 v0近似为常数。 （2）求出两种电路中输出电压与输入电压的关系。图 4 电压波形中，脉冲宽度 t1与周 期 T 的比值 d = t1/ T 称为脉冲波形的占空比。证明改变占空比 d 可以调整输出电压的高低。 （3）在 EWB 或 Multisim 中，用电压控制开关构建 DC-DC 电路的仿真电路。用 20kHz 的脉冲波形控制开关的切换（仿真时使用压控开关），验证理论分析结果。 2

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.y（4）将电路中的开关s2用二极管代替，在图2中，正极在下方：在图3中，正极在左侧。假设二极管加正向电压时导通，电阻为0：加反向电压时断开，电阻无穷天。尝试定性分析二极管自动导通和断开的原理，并进行EWB仿真。四.提示本题目的主要分析问题是确定输出电压vo与输入电压Vin的关系。在电路的两次换路之间，电路中的变量为二阶动态响应。如果严格按照输出电压o的响应表达式求解，结果会比较复杂，不能得到输出电压与输入电压的简单明确关系。通常对这种电路的分析采用近似计算方法。近似的条件是开关换路的频率（即开关动作的控制电压Vsw的频率）足够高，以至于在两次换路之间，输出电压的变化很小，近似为常数Vo=Vo。输出电压近似为常数的假设可以通过理论计算来说明。写出二阶电路的微分方程，根据给定元件参数求出方程的特征频率，对比输入信号的频率，可知，对于输入方波信号的一个周期内的两次电压跳变之间的时间段，电容电压按照特征频率变化，变化量非常小，可以近似视为常数。如果vo为常数，可以确认在一个vsw的周期的两个部分，电感两端电压为常数，因此电感电流就近似为三角波。利用电感电流的三角波表达式可以找到输出电压与输入电压的关系。注意，在输入周期方波作用下电路的动态响应逐渐趋向于动态平衡，即电感电流波形每个周期开始值与结束值相同，这个条件用来确定一个周期波形的表达式。在实际的DC-DC电路中，通常利用二极管来替代电路中的开关s2。当s1开关动作时，由于电感电流突然变化的趋势产生的高电压使二极管导通。在分析时，可先假定二极管是断开的，在此假设下，若二极管两端为反向电压，则二极管就是断开的。若二极管两端为正向电压，则二极管实际上应该导通，认为其短路。实际中，控制s1的方波的占空比是用电子电路控制的。当输入电压V升高时，控制电路自动降低占空比d，反之则调高占空比，以此来维持输出电压vo稳定。3

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 3 （4）将电路中的开关 s2 用二极管代替，在图 2 中，正极在下方；在图 3 中，正极在左 侧。假设二极管加正向电压时导通，电阻为 0；加反向电压时断开，电阻无穷大。尝试定性 分析二极管自动导通和断开的原理，并进行 EWB 仿真。 四．提示 本题目的主要分析问题是确定输出电压 v0 与输入电压 Vin 的关系。在电路的两次换路之 间，电路中的变量为二阶动态响应。如果严格按照输出电压 v0 的响应表达式求解，结果会 比较复杂，不能得到输出电压与输入电压的简单明确关系。通常对这种电路的分析采用近似 计算方法。近似的条件是开关换路的频率（即开关动作的控制电压 vsw的频率）足够高，以 至于在两次换路之间，输出电压的变化很小，近似为常数 v0=V0。 输出电压近似为常数的假设可以通过理论计算来说明。写出二阶电路的微分方程，根据 给定元件参数求出方程的特征频率，对比输入信号的频率，可知，对于输入方波信号的一个 周期内的两次电压跳变之间的时间段，电容电压按照特征频率变化，变化量非常小，可以近 似视为常数。 如果 v0 为常数，可以确认在一个 vsw的周期的两个部分，电感两端电压为常数，因此电 感电流就近似为三角波。利用电感电流的三角波表达式可以找到输出电压与输入电压的关 系。 注意，在输入周期方波作用下电路的动态响应逐渐趋向于动态平衡，即电感电流波形每 个周期开始值与结束值相同，这个条件用来确定一个周期波形的表达式。 在实际的 DC-DC 电路中，通常利用二极管来替代电路中的开关 s2。当 s1 开关动作时， 由于电感电流突然变化的趋势产生的高电压使二极管导通。在分析时，可先假定二极管是断 开的，在此假设下，若二极管两端为反向电压，则二极管就是断开的。若二极管两端为正向 电压，则二极管实际上应该导通，认为其短路。 实际中，控制 s1 的方波的占空比是用电子电路控制的。当输入电压 Vin升高时，控制电 路自动降低占空比 d，反之则调高占空比，以此来维持输出电压 v0 稳定