从基础到实践（十九）：DC/DC由来和工作原理介绍

第一章 DC/DC技术的起源与演进之路

1.1 电力革命的早期困境（1880s-1940s）

        在爱迪生与特斯拉的"电流战争"时期，直流供电系统暴露出传输损耗大的致命缺陷。尽管交流电最终成为电网主流，但直流电在终端设备供电的不可替代性催生了最早的电压转换需求。1930年代真空管收音机的普及使这一问题凸显：车载6V蓄电池需升压至200V以上供电子管工作，工程师们通过笨重的机械振动子式换流器（Vibrator Converter）实现这一转换。这种装置通过电磁铁驱动的机械触点实现直流脉冲生成，配合变压器完成升压，效率不足40%且存在触点燃蚀问题。

1.2 半导体革命的关键突破（1947-1970）

        贝尔实验室肖克利团队1947年发明的晶体管彻底改变了电力转换领域。1960年代，硅平面工艺使功率MOSFET成为可能，其开关速度比双极型晶体管快两个数量级。1972年，美国Unitrode公司推出首款PWM控制器IC UC1524，标志着开关电源控制技术进入集成化时代。这一时期的重要里程碑包括：

• 1958年：R.D. Middlebrook提出开关电源基本理论框架

• 1967年：NASA在阿波罗计划中使用谐振式DC/DC为登月舱供电

• 1970年：日本NEC开发出首款商用离线式开关电源

1.3 拓扑结构的黄金时代（1970s-1990s）

        随着计算机和通信设备的爆发式增长，DC/DC技术进入快速迭代期。1976年R.D. Middlebrook建立状态空间平均法，为拓扑分析提供数学工具。1983年Vatche Vorperian提出等效简化模型，推动拓扑创新：

• Buck架构：1960年代由NASA用于卫星电源系统

• Boost架构：1975年首次在汽车点火系统中商用

• Flyback架构：1980年代伴随CRT显示器高压电源需求兴起

1.4 现代集成化革命（2000至今）

        进入21世纪后，封装技术推动功率密度持续提升。2016年TI推出的5A/40V SWIFT系列将电感集成在封装内。2020年GaN器件使MHz级开关频率成为现实，如EPC公司的eGaN FET可实现97.3%效率的1MHz Buck转换器。当前技术前沿包括：

• 3D封装技术实现每立方厘米100W功率密度

• 数字控制技术实现动态拓扑重构

• 磁集成技术消除分立磁性元件

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第二章 DC/DC工作原理深度剖析                                                                                                            

2.1 非隔离型拓扑工作机制

2.1.1 Buck降压电路                                                                                                                                                                                            

        电路由功率开关SW、续流二极管D、滤波电感L0和输出电容Cout构成。工作过程分为两个阶段：

• Ton阶段：SW导通，输入电压Vin施加在L两端，电流线性上升（di/dt=(Vin-Vout)/L0），电感储能增加

• Toff阶段：SW关断，L0通过D续流，电流线性下降（di/dt= -Vout/L）

        输出电压由占空比D决定：Vout = D×Vin。当电感电流连续时，传递函数呈现二阶特性，存在右半平面零点。

2.1.2 Boost升压电路

                                                   拓扑结构包含输入电感L、开关管Q、输出二极管D和电容C。其特殊之处在于电感位于输入回路：

• Ton阶段：Q导通，L电流线性增长（di/dt=Vin/L），电感L接地，二极管截止，Vi对电感L进行充电。                                                                                                                                                                                                解释：这个时候电感直接接入输入Vi，经过一个开关管到地，但是由于电感的电流特性不能突变，那这个时候电感两端就会由于自感应电动势，即电压为Vi。                                        通过di/dt=Vin/L可以推导出电流与时间的公式如下：通过这个公式可以看出开关管闭合的时候电流和时间的变化是线性的。

• Toff阶段：Q1关断，L上感应电动势与Vin叠加，通过D1向C充电                                                               

        输出电压满足Vout = Vin/(1-D)，需特别注意当D接近1时的失控风险。实际应用中需加入峰值电流限制。