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  • demo5_1_3升压降压斩波电路(buck_boost)升降压斩波电路(buck_boost)工作原理:V导通时,电源E经V向L供电使其贮能,此时电流为i1,同时C维持输出电压恒定并向负载R供电;V关断时,L的能量向负载释放,电流为i2,负载...

    demo5_1_3升压降压斩波电路(buck_boost)

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    升降压斩波电路(buck_boost)工作原理:V导通时,电源EVL供电使其贮能,此时电流为i1,同时C维持输出电压恒定并向负载R供电;V关断时,L的能量向负载释放,电流为i2,负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反,该电路也称作反极性斩波电路。基本的数量关系:稳态时,一个周期T内电感L两端电压uL 对时间的积分为零,即

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    当V处于通态期间,uL=E;而当V 处于断态期间,uL =-uo。于是:

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    所以输出电压为:

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    改变导通比α,输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当0<α<1/2时为降压,当1/2<α<1时为升压,因此将该电路称作升降压斩波电路。电源电流i1 和负载电流i2 的平均值分别为I1 I2 ,当电流脉动足够小时,有

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    如果V、VD为没有损耗的理想开关时,则输出功率和输入功率相等,即

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    输入电压为100V,当占空比α=0.40.50.6,输出结果分别为66.7V100V150V仿真结果分别如下:

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    demo5_1_3升压降压斩波电路(cuk)

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    Cuk斩波电路工作原理:V导通时,EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流;V关断时,EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流;输出电压的极性与电源电压极性相反。基本的数量关系:

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    与升降压斩波电路相比,Cuk斩波电路有一个明显的优点,其输入电源电流和输出负载电流都是连续的,且脉动很小,有利于对输入、输出进行滤波。输入电压为100V,当占空比α=0.40.50.6,输出结果分别为66.7V100V150V仿真结果分别如下:

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    demo5_1_4升压降压斩波电路(sepiczeta)

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    Sepic斩波电路工作原理:V导通时,EL1V回路和C1VL2回路同时导电,L1L2贮能;V关断时,EL1C1VD—负载回路及L2VD—负载回路同时导电,此阶段EL1既向负载供电,同时也向C1充电(C1 贮存的能量在V处于通态时向L2 转移)。输入输出关系:

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    输入电压为100V,占空比α=0.5,输出结果分别为100V,仿真结果如下:

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    Zeta斩波电路工作原理:V导通时,电源E经开关V向电感L1 贮能;V关断时,L1 VDC1 构成振荡回路,L1 的能量转移至C1 ,能量全部转移至C1 上之后,VD关断,C1 L2 向负载供电。输入输出关系为:

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    两种电路具有相同的输入输出关系,Sepic电路中,电源电流连续但负载电流断续,有利于输入滤波,反之,Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续;两种电路输出电压为正极性的。输入电压为100V,占空比α=0.5,输出结果分别为100V,仿真结果如下:

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  • 分享让知识变得更简单 本博客的第「21」篇原创文章,欢迎分享支持 仿真文件已更新到公众号 ...是电源工程师的入门课,下面就介绍BUCK降压电路的基本工作原理,并进行原理仿真,后台回复:BUCK仿真文件

    分享让知识变得更简单

    本博客的第「21」篇原创文章,欢迎分享支持

    仿真文件已更新到公众号,后台回复:LDO仿真文件

    在电子电路中,电源一般分为两类,一类是线性电源,一类是开关电源。线性电源具有噪声小的优点。开关电源虽然噪大,但是具有效率高、热损小的优点。

    开关电源还可以细分为降压型、升压型和升降压三类。也可按照隔离、非隔离,或者同步非同步再进一步细分。

    在手机、电脑等消费电子领域,降压型BUCK电路应用非常广泛。是电源工程师的入门课,下面就介绍BUCK降压电路的基本工作原理,并进行原理仿真,后台回复:BUCK仿真文件 可以得到仿真源文件。

    为了把我们的主要精力放在理解BUCK原理上,我们选择非同步BUCK进行分析,也就是电路中只有一个开关管,由二极管对电感续流放电。

    基本的BUCK降压电路由开关、电感、二极管和电容组成,简约的东西经过组合往往会迸发出不可思议的结果,BUCK就是这样的电路。

    电感的基本参数和意义见以前的文章:

    电感参数有哪些?怎么选择电感?​mp.weixin.qq.com


    BUCk基本框图如下:

    当开关S1闭合导通时,VA电压为高,Vin给电感L1充电,流过电感L1的电流逐渐增加,电流路径见上图绿色回路,电感充电波形见下图。

    当开关S1断开时,Va为低电平,电感L1通过负载和二极管放电,电感L1的电流逐渐减小,电流路径见下图蓝色部分,电感放电波形见上图。

    BUCK的基本工作过程就是对电感充放电的过程。

    这里有个小说明,在同步BUCK中D1会被开关代替,以提高效率,在S1断开时,但是本章中使用的是续流二极管,则在S1断开时,VA其实是有一部分的负电压的(差不多刚好-0.7V)。

    BUCK输入输出电压的计算关系:

    我们不用管什么幅秒特性,只看最终、最基本、最本质的电感相关公式:

    在BUCK建立稳态后,电感充放电的电流是相等的,△t=T*D是充电的时间,T*(1-D)是放电的时间,即稳态时:

    T为开关周期,D为占空比,就是开关导通的时间占整个周期的百分比。

    同样的道理:

    整理得到:

    非常简单的计算过程,一点也不复杂。

    下面看原理仿真,multisim仿真文件在公众号后台回复:buck仿真文件 可以下载。

    通过开关管对电感充放电,可以明显看到电流的充放电三角波电流,当改变输出电容时,有助于缓解输出的纹波,然而由于BUCK开关架构的先天不足,此纹波无法消除,抑制程度也有限。

    同时我们也可以看到由于续流二极管的存在,当开关段开始,Va有小段的负电,此负电大约-0.7v,就是和二极管相关,同时由于此二极管的存在,输入输出关系也略微改变,导致输出输入不满足D的关系,为了提升效率就出现了同步BUCK电路。

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    本文开关电源工作原理是开关电源工程师全力整理的原理分析,以丰富的开关电源案例分析,介绍单端正激式开关电源、自激式开关电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源和反转式开关电源。

    随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有40%~50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。

    为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85%以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。正因为如此,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中,本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。

    开关式稳压电源的基本工作原理

    开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

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                                  调宽式开关稳压电源的基本原理

    对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高,直流平均电压为U。可由公式计算,即Uo=Um×T1/T,式中Um为矩形脉冲最大电压值,T为矩形脉冲周期,T1为矩形脉冲宽度。

    从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

    开关式稳压电源的原理电路

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                                                  开关电源基本电路框图

    交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

    控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源的典型电路如下图所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

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                                              单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20~100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。

    唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20~200kHz之间。

    单端正激式开关电源

    单端正激式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

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                                                 单端正激式开关电源

    在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。

    由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

    自激式开关稳压电源

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    自激式开关稳压电源的典型电路如下图所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。自激式开关稳压电源

    当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。

    与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。

    在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

    自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

    推挽式开关电源

    推挽式开关电源的典型电路如下图所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

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                                                 推挽式开关电源

    这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100~500W范围内。

    降压式开关电源

    降压式开关电源的典型电路如下图所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

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                                                 降压式开关电源

    这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

    升压式开关电源

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                                              升压式开关电源

    升压式开关电源的稳压电路如上图所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

    反转式开关电源

    反转式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

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                                               反转式开关电源

    当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

    以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。

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  • 常用有源功率因数校正电路分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类。其中,连续电流模式控制...非连续电流模式控制型有正激型(Forward)、反激型(Flyback)之分,下面对这几种电路工作原理分别加以介绍。
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    本文开关电源工作原理是开关电源工程师全力整理的原理分析,以丰富的开关电源案例分析,介绍单端正激式开关电源、自激式开关电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源和反转式开关电源。

    随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有40%~50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。

    为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85%以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。正因为如此,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中,本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。

    开关式稳压电源的基本工作原理

    开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

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    调宽式开关稳压电源的基本原理

    对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高,直流平均电压为U。可由公式计算,即Uo=Um×T1/T,式中Um为矩形脉冲最大电压值,T为矩形脉冲周期,T1为矩形脉冲宽度。

    从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

    开关式稳压电源的原理电路

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    开关电源基本电路框图

    交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

    控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源的典型电路如下图所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

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    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20~100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。

    唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20~200kHz之间。

    单端正激式开关电源

    单端正激式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

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    单端正激式开关电源

    在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。

    由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

    自激式开关稳压电源

    自激式开关稳压电源的典型电路如下图所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

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    自激式开关稳压电源

    当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。

    与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。

    在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

    自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

    推挽式开关电源

    推挽式开关电源的典型电路如下图所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

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    推挽式开关电源

    这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100~500W范围内。

    降压式开关电源

    降压式开关电源的典型电路如下图所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

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    降压式开关电源

    这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

    升压式开关电源

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    升压式开关电源

    升压式开关电源的稳压电路如上图所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

    反转式开关电源

    反转式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

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    反转式开关电源

    当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

    以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。

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升压降压电路工作原理