在電子電路領(lǐng)域，DC/DC 變換電路是實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的重要組成部分，特別是非隔離的 6 大 DC/DC 電路，在眾多電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。下面我們就來(lái)詳細(xì)了解一下這 6 種電路。

Buck 電路

Buck 電路主要是基于斬波原理來(lái)控制直流源的輸出電壓。如圖 1 所示，一個(gè)負(fù)載 R 通過(guò)開(kāi)關(guān) S 連接電源。當(dāng)開(kāi)關(guān) S 周期性地?cái)嚅_(kāi)和閉合時(shí)，負(fù)載 R 也會(huì)周期性地接通和斷開(kāi)。若負(fù)載 R 是燈泡，在開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)，燈泡會(huì)閃爍；當(dāng)頻率逐步升高，人眼就無(wú)法看清其閃爍，而是以燈泡的亮度來(lái)體現(xiàn)。對(duì)于一定輸入電壓的斬波電路，其輸出電壓平均值是通過(guò)周期性斷開(kāi)和閉合電路中的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制的。圖中 D 為電路的占空比，即開(kāi)關(guān) S 閉合的時(shí)間與閉合和開(kāi)斷時(shí)間總和的比值，通過(guò)調(diào)節(jié) D 可以調(diào)節(jié)電路的輸出電壓。

圖 2 顯示了 Buck 電路的工作過(guò)程，整個(gè)工作分成兩個(gè)部分。當(dāng) S 閉合時(shí)，電感存儲(chǔ)能量并且電源給負(fù)載供電；當(dāng) S 斷開(kāi)后，由于電感電流不能突變，電感電流通過(guò)續(xù)流二極管繼續(xù)給負(fù)載供電。因此負(fù)載 R 的輸出電壓為 Vo = DVi。

Boost 電路

Buck 電路是通過(guò)對(duì)電壓源進(jìn)行周期性的開(kāi)斷 S 來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的降壓。在不考慮電路自身?yè)p耗的情況下，輸入功率等于輸出功率。在直流系統(tǒng)中，功率等于電流乘以電壓，若想得到高電壓，就需要降低電流以保證功率不變。因此，可以通過(guò)斬波來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的降低，從而實(shí)現(xiàn) Boost 電路。電流的斬波電路和 Buck 電路是對(duì)偶關(guān)系，如圖 3 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān) S 斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載 R 處流過(guò)電流；當(dāng)開(kāi)關(guān) S 閉合后，負(fù)載 R 被開(kāi)關(guān)短路，電流為 0。所以 Io = (1 - D) Ii，其對(duì)應(yīng)的輸出電壓為 Vo = 1/(1 - D) Vi。

將上述電路進(jìn)行變化，選擇一個(gè)大的電感和電壓源串聯(lián)來(lái)表示電流源，開(kāi)關(guān) S 用半導(dǎo)體器件代替，再加上一個(gè)續(xù)流二極管就變成了 Boost 電路，如圖 4 所示。當(dāng) S 閉合，電壓源給電感充電，電感存儲(chǔ)能量；當(dāng) S 斷開(kāi)，電壓源和電感同時(shí)給負(fù)載供電，達(dá)到提升電壓的目的。

Buck - Boost 電路

如果將 Buck 電路輸入接直流源，輸出作為 Boost 電路的輸入，即構(gòu)成前端 Buck 后端 Boost 的兩級(jí)變換器，就可以實(shí)現(xiàn)升降壓功能，如圖 5 所示。

通過(guò)把 Buck 電路和 Boost 電路公式進(jìn)行合并，可得出 V0 = D2/(1 - D1) Vi。接下來(lái)對(duì) Buck - Boost 電路進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先對(duì)比 LCL 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性和 L 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)波特圖（圖 6）可以看出，在低頻階段，兩者的動(dòng)態(tài)特性是一致的，因此可以用 L 來(lái)代替 LCL 網(wǎng)絡(luò)。分別畫(huà)出 S1 和 S2 同時(shí)導(dǎo)通和斷開(kāi)的圖（圖 7），可以發(fā)現(xiàn) S1 和 S2 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)是串聯(lián)在一起進(jìn)行充電，所以可以減去一個(gè)開(kāi)關(guān)；S 同時(shí)關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)二極管也是串聯(lián)關(guān)系，也可以減去一個(gè)二極管。將兩者合并后，就得到了 Buck - Boost 電路。

Boost - Buck 電路

若將 Boost 電路輸入接直流源，輸出作為 Buck 電路的輸入，Buck 電路的輸出接負(fù)載，即構(gòu)成前級(jí) Boost 后級(jí) Buck 的兩級(jí)變換，如圖 8 所示。簡(jiǎn)化方法和 Buck - Boost 電路類(lèi)似，先確定 S1，S2 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的電路，再確定 S1 和 S2 同時(shí)斷開(kāi)時(shí)的電路，如圖 9 所示。以電容 C1 為分界點(diǎn)，把 S1 和 S2 進(jìn)行合并，同時(shí)把 D1 和 D2 進(jìn)行合并最終得到 Cuk 電路，如圖 10 所示。Cuk 電路需要兩個(gè)電容和電感，并且它的輸出電壓的極性和輸入電壓的極性相反。為了調(diào)整輸出電壓的極性，就演化出了 Speic 和 Zeta 電路。

Speic 電路和 Zeta 電路

Speic 電路（圖 11）是對(duì) Cuk 電路的改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整輸出的回路，使得輸入和輸出的電壓極性相同。Zeta 電路（圖 12）則是調(diào)整輸入端的結(jié)構(gòu)，同樣實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的極性和輸入電壓的極性相同。

小結(jié)

本篇文章詳細(xì)介紹了非隔離的 DC/DC 電路的總共六種電路，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖 13 所示。首先通過(guò)斬波得到了 Buck 電路，其次通過(guò)斬流得到了 Boost 電路。通過(guò)把先 Buck 再 Boost 的思路把 Buck 電路和 Boost 電路進(jìn)行連接得到了 Buck - Boost 電路。與之對(duì)應(yīng)，把 Boost 電路放在 Buck 電路之前，得到了 Boost - Buck（Cuk）電路。對(duì)于電路的化簡(jiǎn)，可以畫(huà)出兩個(gè) MOS 管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)閉得到的等效電路進(jìn)行化簡(jiǎn)。為了得到同樣極性的輸出電壓，Cuk 電路又演化為 Speic 和 Zeta 電路。這些電路在不同的電子設(shè)備中發(fā)揮著重要作用，了解它們的原理和特性，對(duì)于電子電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。