DC-DC是什么：从原理到应用解析——BUCK变换器与伏秒积平衡

一、DC-DC是什么

DC-DC电源，即直流-直流变换器，是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器。DC-DC有多种拓扑结构，如BUCK（降压）、BOOST（升压）、BUCK-BOOST（升降压）三大基本拓扑结构。

斩波器的工作方式有两种，一是PWM波“定频调宽”，即脉宽调制方式Ts不变，改变T_on(通用)；二是PFM波“定宽调频”，即频率调制方式，T_on不变，改变Ts（易产生干扰）。通过这两种方式来控制电路开关管的导通与关断。

一般用PWM波控制，本文所述为PWM控制开关管的通断。PWM波可用单片机产生，也可以使用PWM波专用芯片，如UC3842。

工作模式

CCM：电感电流连续工作模式

DCM：电感电流不连续工作模式

BCM：电感电流连续工作模式（周期结束时电感电流刚好降为0）

看电感电流是否连续可以从每个周期的电感电流是否从0开始来判断。

伏秒积平衡原理

伏秒积,即电感两端的电压V和这段时间T的乘积。伏秒平衡原理：在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。即：

U_onT_on=U_offT_off

在开关电源稳定的状态下，电感的充放电属于一个稳定的状态，开关管导通期间流入电感的电流也等于开关管关闭期间流过电感的电流,。

又由电感的电压公式 ，可得，即伏秒平衡。

电容电感特性

        电容阻碍电压变化，通高频，阻低频，通交流，阻直流;

        电感阻碍电流变化，通低频，阻高频，通直流，阻交流;

二、BUCK电路

Buck变换器，也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。单管：续流二极管。作用是续流，在BUCK电路中，二极管D形成了续流回路，因此D也叫作续流二极管。。不隔离：输入输出在同一个闭环电路中，没有变压器元器件将它们隔离开。如图，这是最基本的BUCK电路。

首先晶体管Q1起开关的作用，可以导通和关断电流，常见的开关管有三极管、MOSFET等。但是这个开关管受电路输出的驱动脉冲控制，不能用一个单刀双掷开关。

PWM(Pulse、width、modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比D=Ton/Ts。

电容C1作为滤波电容，可降低输出电压Uo的脉动。

如图，当Q导通的时候，二极管截止，此时电流就要经过电感，然后流向负载R1。电感中的电流在线性增长的同时会发生自感,自感就又会阻碍电流的上升。电感就将电能转换为磁能储存起来了，此时自感电势的方向左正右负。

如图当开关管断开时，就没有电流流向电感了。但是电感电流不会突变为0，而是在慢慢的减少，由于电感阻碍电流变化，所以这时候就产生了左负右正的自感电势，使得二极管D1导通。电流在减少的同时，L中之前存储的磁能就转化为电能释放出来给负载R。

这里的电容是滤波电容，目的是降低输出电压Uo的脉动。

在CCM工作模式（电感电流连续工作模式）下时，电感足够大。

首先在导通期间，电感电压U_L=U_i-U_o，电感的电流会从最小值上升到最大值,电流增量(Us即Ui)

当开关管断开时，电感的电压U_L=-Uo。电感电流就从最大值下降到最小值。电流减少量

如果BUCK电路是一个稳定的电路，它就会保持的稳定的开关管的通断，开关管导通期间流入电感的电流等于开关管关闭期间流过电感的电流，即

整理之后得到

根据上式可以得到，我们这个输出电压是输入电压在乘以占空比，即开关管打开的时间Ton/周期Ts。又因为Ton≠Ts，所以输出电压的一定是小于输入的电压，这也就是BUCK电路的原理，而且输出电压的大小是可以操控，我们可以通过改变PWM波的占空比来控制输出电压的值。

在DCM的工作模式下，也有U_o=U_iD。此模式就是电感比较小，负载比较大。周期Ts比较长的情况，电感电流已经降为0了，但是新的周期还没开始。所以每个新的周期电感电流都是从0开始线性增加的。这种模式下，电感的电流是有三种状态的：线性增加、线性减少、闲置（I_L=0）

DCM工作模式下会使电路带载能力降低，稳压精度变差，纹波电压大。所以通常要求BUCK电路在CCM工作模式下工作。当然，也存在一种临界条件，就是当一个周期刚好结束的时候，电感的电流也刚好减小为0，这种模式称为BCM。

另一种角度解释

电路在开关电源稳定的状态下，开关管导通期间流入电感的电流也等于开关管关闭期间流过电感的电流,，且满足伏秒平衡原理：U_onT_on=U_offT_off即(Ui-Uo)TD=Uo(Ts-TD)

DC-DC变换器，特别是Buck变换器，通过PWM控制等技术实现了高效的直流电压转换。选择合适的工作模式（如CCM、DCM或BCM）和正确的元件参数，对优化性能至关重要。理解并应用伏秒积平衡原理，有助于设计出更稳定、高效的电源系统，推动电力电子技术的发展。