將一種直流電壓轉換為另一種直流電壓的必要性常常是工業、醫療甚至家庭領域眾多應用的核心。一種或多或少復雜的設備，稱為直流-直流轉換器，執行從一個電平到另一個電平的直流電壓變化。電壓可能會以上升或下降的方式變化。在本章中，我們將研究最常用的方法。

改變直流電源的電壓 – DC-DC 轉換器

在家庭中以交流形式分配電力的主要原因之一是轉換的簡單性。變壓器足以非常輕松、安全地升高或降低交流電源電壓。不幸的是，對于直流電壓來說，事情就沒那么簡單了。它的轉變更加復雜，需要特殊的策略、方法和極其復雜的電子元件。將直流電壓轉換為另一種直流電壓可用于各種電力應用，例如電動車輛電機的控制以及需要連續改變旋轉速度同時保持扭矩和力參數的所有其他應用完好無損的。帶DC-DC轉換，很容易擁有復雜的電源，可能根據需要使用不同的電源電壓工作。

降壓（降壓）

在 DC-DC 開關電路中，使用適當驅動的電子開關和組件來存儲能量，從而實現能量轉換。降壓轉換器也稱為降壓轉換器，是一種 DC-DC 電源轉換器，可降低輸入電壓并提供較低的輸出電壓。當今的現代技術將整個復雜的電路結構封裝在一個外殼中。理論上，可以通過使用大功率電阻器或功率分配器來降低輸入電壓，但是不必要地浪費在熱量中的能量將是巨大的，并且這種解決方案只能返回幾個百分點的效率。開關電路的基礎是一個電子開關（BJT、Mosfet 或其他），它以非常高的頻率交替打開和關閉（見圖 1）。

開關信號允許您通過簡單地改變其占空比來選擇輸出電壓

圖 1：開關信號允許您通過簡單地改變其占空比來選擇輸出電壓

若SW開關閉合時間t1，則負載R兩端有電壓Vs。相反，如果該開關打開時間 t2，則負載 R 兩端的電壓為 0 V。這些脈沖的快速連續導致負載處的電壓介于 0 V 和 Vs 之間。后者可作為占空比的函數在 0% 和 100% (PWM) 之間變化。如果信號由矩形波或方波生成，則該電壓等于：

在所有其他情況下，電壓等于：

以電阻和電感作為負載的降壓 DC-DC 轉換器

圖 2 顯示了帶有 LC 型負載的降壓電路的通用原理圖和工作原理。該DC-DC轉換器提供低于輸入電壓的輸出電壓。它主要由作為SW開關的Mosfet和二極管D組成。輸出濾波網絡由電感器L、電容器C和負載電阻器R組成。Mosfet可以由脈寬調制器（PWM）控制。它的操作非常簡單。直流電壓 V 為電路供電。電子開關生成具有非零電壓值和適當占空比參數的矩形信號。根據信號 ON 百分比設置的參數，輸出是介于 0 V 和 Vs 之間的平均電壓。在圖中的波形圖上，可以觀察到以下信號：

v(in)：是直流輸入電壓，為整個轉換電路供電；

v(sw)：是由電子開關控制的系統提供的矩形信號（脈沖串）；

v(d)：是二極管兩端的信號。可以看出，它受到峰值和振蕩的影響，使信號因干擾（EMI）而飽和；

v(out)：是低于輸入信號的輸出信號。它可能會受到振蕩的影響，在圖中被故意放大。通常，使用大輸出電容可以顯著減少這個問題。

圖2：以電阻器和電感器作為負載的降壓轉換器

現在我們可以觀察電子元件在 DC-DC 轉換器操作的兩個不同階段（即當開關處于 ON 位置和 OFF 位置時）執行的操作和功能：

當開關閉合時，電流通常流過它而不流過二極管，因為二極管的極性相反。因此，電容器通過該電流充電。也就是說，開關處于正常導通狀態，電流正常從電壓發生器流向負載；

一旦開關打開，電感器就會反轉其兩端的電壓并使二極管導通。該組件還可以抑制開關打開時可能出現的任何浪涌。換句話說，開關不導通，負載電流流過循環二極管。

電感器中的平均電流約等于輸出電流。在“ON”階段，MOSFET 中的電流將等于電感器中的平均電流加上紋波。相反，在“OFF”階段，流過二極管的電流等于電感器中的平均電流加上電流紋波之和。如果電感器和電容器是理想的，該電路的效率將為100%。事實上，這一比例約為 94%。電路的效率在很大程度上取決于 PWM 信號的占空比。特別是，當輸出電壓遠低于輸入電壓時，開關處會建立大電流傳輸，這導致不必要的能量浪費。從圖3中可以看出，當占空比較低時，DC-DC轉換器的效率也會很低。因此，應避免設計占空比低于 20% 的轉換器來實現高減速比。請注意，圖中表示的兩個比例均以百分比表示。

降壓轉換器的效率在很大程度上取決于PWM的占空比，即相同負載下輸出電壓的降低比例

圖 3：降壓轉換器的效率在很大程度上取決于 PWM 的占空比，即相同負載下輸出電壓的降低比率

下表顯示了開關的一些占空比值以及相應的系統效率值。當然，這是通用數據，可能會根據許多電路參數而略有不同。

這種類型的 DC-DC 轉換器處理的信號不是很干凈，如圖 4 中的頻譜圖所示，信號中存在多個諧波。上面的第一個頻譜圖顯示了二極管上存在的諧波，而第二個頻譜圖顯示了電感器之后存在的諧波。因此，設計人員應該實現一個良好的濾波器系統，盡可能消除或減少這些類型的不需要的信號。