简单好用的降压 DC-DC 变换器

上面的图片中被“开发网LOGO图片”挡住的是一个接地标记，也就是地线。我画图不喜欢拖太长的线，电源线一般都是用电源标记接上的。相同的电源标记在电气上是相连的。

这是个降压型的 DC-DC 变换器，使用了“精工电子有限公司”的 S - 8521 B33MC。设计制作的目的是将这个电路用于我 DIY 的 LED 电筒，呵呵！有点奢侈，其实用普通的开关电源即可达到目的，但是购买特定规格的开关变压器是个非常麻烦的事，而集成的开关电源控制器可以使用常见的磁芯电感，DIY 就很方便了。

DIY  项目： LED 白光手电筒

主要材料： 25只白色LED，万用电路板，开关电源降压套件

电源支持： 4节 5# 或者 7# 碱性电池，也可以使用镍铬或镍氢可充电电池

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为何要这样设计？

    因为白光 LED 的电压降为 3V，如果使用两节电池，电池在经过一段时间的放电后，电压将开始下降，虽然电池的电能还剩一大半，却不能点亮 LED 了，造成极大的浪费。

    用三节镍氢或镍铬电池将会让电筒非常好地工作，因为它们的放电范围刚好是：3.6V-3.0V，但是我家里恰好有一堆7#碱性电池，所以不愿意再去买充电电池了。

    电池盒也是2节和4节的最漂亮。2节的已经不能用了，而且4节电池的工作时间更长啊！最重要的是手痒了，所以决定了用4节电池的方案了。

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为什么要降压？

    LED 组件（每个 LED 串一个欧姆限流电阻，使工作电流保持在 15 mA 左右） 如果直接接到6V电源上会怎样呢？ 如果用万用表测量LED两端的话，你将会得到3V的结果，而限流电阻两端也是3V，那么这套组件所消耗的功率就有一半浪费到电阻上了。计算如下：

    6V / 390 hm =15.4mA , 3V * 15.4 mA = 46.2 mW； 

    LED和电阻各自消耗了46.2 mW，单个套件消耗 92.4 mW。

    如果把供电电压降到 3V 左右，除了 LED 的固定 3V 电压降外，电阻上浪费的功率就非常小了。

    因此，利用DC-DC变换器将电压降到 3.3V 将会大大提高电源的使用效率。

    3.3V / 220 hm = 15 mA , LED消耗功率为 3V * 15 mA = 45mW；

    电阻消耗的功率 0.3V * 15 mA  = 4.5mW；单个套件消耗功率为49.5mW。

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为什么要使用DC-DC变换器来降压？

    使用常见的线性稳压电路不是更方便吗，干吗要用DC-DC降压呢？

    其实线性稳压电路是硬消耗式降压，即把电源多提供出来的功率用自身的动态电阻消耗掉，产生大量的热量，和串联在 LED 前的限流电阻上浪费的功率原理是一样的。

    而 DC-DC 变换器是使用高频开关电源的原理，电源降压效率可以达到90%以上。例如 DC-DC 要为电路提供 900 mW 的电源功率，变换器只要再多消耗 100 mW 就能提供 900 mW 的有效功率给电路使用，电路总消耗功率为 1W。而在同等条件下，线性稳压器却要消耗约 900mW 的功率后才能输出 900 mW 的有效功率（这个例子的条件是按照输入6V，输出3V来计算的，不同条件下，计算结果会有很大不同），电路总消耗功率达到 1800 mW。

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DC-DC 降压的工作原理是怎样的？

    这完全是个魔术表演，关键在于电路中的电感。电感有个奇妙的特性，它会阻止电能量突变。

    做个实验：在浴缸里放满水，你把手掌慢慢放下去，不会有啥阻力吧！你猛地向下一击，就能感受到阻力了吧！假如你这一击代表电能量突然增加，而在水中所受到的阻力就像是电压突变时在电感中受到的阻力是一样的，这就是电阻抗。

    你击水所使用的能量不会凭空消失，它被水储存了绝大部分，通过水波的不停震荡很直观的就能观察到，这是一个比较缓慢的能量释放过程。当一段电能量突然加到电感上的一端之后，它同样把这个能量储存了起来，然后在另一端缓慢地释放出来。这个缓慢只是个形容词，是相对于电流经过普通导线来说的，实际上它也是非常快的，还是可以用一瞬间来形容的。

    DC-DC降压转换就是：通过将供应的高电压电源用高速度一开一关的方式送出一段一段互不相连的电能量。这些本来不相连的电能量进入电感之后被首先被储存起来，然后用慢速度释放出来（就像一个个独立的面团被柔到一起再拉成面条一样）。结果释放出来的电流是连在一起的持续电能量了，但是这个电能量不是理想的稳定电压能量，波动非常大，再通过一个大容量的滤波电容将它滤平，得到比较理想的工作电压。

    当DC-DC控制器关闭供应电源的输出时，电路中的电能量是通过肖特基二极管来实现电流回路流动的，而供应电源被打开时，电流回路又切换到电池端，而电路中的电感可以将来回切换的波动影响消除掉。如此这般，这个电路就可以连续运转了。

    只要控制那一段一段的电能量进入电感的频率和功率大小，使它和负载电阻相匹配，那么就能在负载上得到稳定的固定电压了。

    DC-DC控制器就是起这个控制作用的，它不停地监视负载的电阻变化。当电阻下降时，负载两端的电压开始下降，它立即提高供应电源端的电能量供应来维持负载两端的电压稳定。而负载电阻一增大，它又立即切断供应电源，防止负载两端的电压上升。

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工厂可以生产这种节能电筒吗？

    如果你是这家工厂的老板，那是吃饱了撑的！如果你是工程师，不给炒鱿鱼也是奇事一件了。不存在版权问题，关键是它不符合市场规律，使用的节能方式成本太高了。有很便宜的方法来做到同样的效果，但是对于 DIY 爱好者来说，不太容易得到这种定制的特殊元器件，而工厂却很容易得到大批量的货源。

    DIY 的乐趣是不能用成本来衡量的，唯一限制它的条件是必须自己能承担得起所有的花费。所以这个电筒仅仅是自己做出来玩玩的，请不要对它的实用性做出任何评价，谢谢！

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这个电筒的 DC-DC 降压部分可以用别的便宜元件吗？

    可以啊！由于负载是固定的，不需要监测电路，可以用常见的LC震荡方式组成的开关电源，它的成本要低很多，但是开关变压器却没有现成的，要特制，麻烦死了。用其它方式组成震荡器，在温度和环境变化较大的情况下不太稳定。或者电路搞得特复杂还不如这个集成控制器呢！各位有兴趣可以自己试试玩玩吧！

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这个电路只能用于 LED 手电筒吗？

    当然不是啦！只要是有需要的相似环境都能用啊！例如，随身携带的单片机测量工具，没有交流电使用的时候，可能需要用干电池或充电电池、甚至汽车电瓶等，都可以使用这个电路来转换电压的。

    S- 8521 的输出电压有3种规格：3.0V 、3.3V 、5.0V ，你可以自由选用合适的电压。