DC/DC 轉(zhuǎn)換技術(shù)和拓?fù)浼軜?gòu)簡介

從信息娛樂系統(tǒng)到電池供電的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）傳感器，電源轉(zhuǎn)換是許多應(yīng)用中的基本需求。通常DC/DC 和 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換有幾種基本的開關(guān)模式拓?fù)浼軜?gòu)，具體采用那種類型取決于所需的電壓水平和所需的功率。本文將討論電源轉(zhuǎn)換的基本概念，并展示采用分立和基于模塊設(shè)計(jì)的流行拓?fù)浼軜?gòu)，還將介紹與隔離和穩(wěn)壓相關(guān)的重要因素。

電源轉(zhuǎn)換無處不在

在您所使用的大多數(shù)技術(shù)產(chǎn)品中都會(huì)使用電源轉(zhuǎn)換功能。以智能手機(jī)為例，它可能包含標(biāo)稱輸出電壓為3.7V 的鋰電池，而手機(jī)的許多 IC 和相關(guān)功能卻需要在不同的電壓下運(yùn)行，最常用的是 1.8V、3.3V 或 5.0V。電源轉(zhuǎn)換功能需要采用 3.7V電池， 并將電壓轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷弘娖?，可能是高于，也可能是低于電池的?biāo)稱輸出電壓。

另一個(gè)類似的例子是不起眼但卻數(shù)量巨大的USB移動(dòng)電源，這種設(shè)備能夠幫助我們在旅途中為電子產(chǎn)品充電。同樣，它使用單個(gè)鋰電池提供的3.7V電壓，經(jīng)過DC/DC 轉(zhuǎn)換器升高電壓以提供標(biāo)準(zhǔn) USB 的5V輸出。

您的智能揚(yáng)聲器、電視、筆記本電腦、家用電器都需要將電源電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電路能夠使用的電平。

AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換包括兩種截然不同的技術(shù)；線性和開關(guān)技術(shù)。過去，線性方法廣泛用于電源供電設(shè)備，但由于需要大型變壓器和濾波電容器（smoothing capacitor）等笨重組件，其應(yīng)用因而受到影響。雖然目前線性穩(wěn)壓器仍在一些專業(yè)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換中使用，但當(dāng)今大多數(shù)應(yīng)用都在采用開關(guān)穩(wěn)壓器方法。

基于開關(guān)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換方法依賴于在電感器或電容器中存儲能量。與線性方法不同，開關(guān)穩(wěn)壓器可以提供高于或低于輸入電壓的輸出電壓。圖 1 突出顯示了開關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的基本概念。

圖 1： DC/DC 轉(zhuǎn)換器功能框圖。（來源：Murata）

一個(gè)PWM 信號被施加到半導(dǎo)體器件作為開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號。PWM 輸入的占空比（標(biāo)記空間比）和頻率會(huì)直接影響轉(zhuǎn)換效率、負(fù)載穩(wěn)壓和輸出電壓。本質(zhì)上看，PWM 和開關(guān)半導(dǎo)體期間將形成一個(gè)電荷泵電路，以便在導(dǎo)通周期間將能量存儲在電感器或電容器中。該能量在 PWM 信號關(guān)斷期間被釋放和整流，輸出電壓的調(diào)節(jié)應(yīng)用于 PWM 信號。除了電容器之外，還可以使用變壓器作為電感元件來實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的隔離。

多年來，有幾種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)已經(jīng)變得很流行，這里我們進(jìn)行簡要說明。

流行的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)

降壓轉(zhuǎn)換器

異步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓，例如可將5VDC降低至3.3VDC。圖2所示為這樣一種電路的簡單說明。

圖 2：降壓轉(zhuǎn)換器的主要功能。（來源：Murata）

在圖2中，SW1通常是采用PWM信號驅(qū)動(dòng)的晶體管，SW2是二極管。當(dāng) SW1 閉合或接通時(shí)，電流流過電感器儲存能量。當(dāng)SW1為關(guān)斷時(shí)，能量隨著流過 SW2二極管的電流而釋放，并提供輸出電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于開關(guān) PWM 信號的占空比，如圖 3 所示。

圖 3：占空比對輸出電壓的影響。（來源：Murata）

在同步降壓拓?fù)浼軜?gòu)中，二極管被另一個(gè)開關(guān)元件所替代，通常是采用 FET，它由異相開關(guān)信號驅(qū)動(dòng)。 FET 通常具有較低的正向電阻，從而能夠減少損耗。

升壓轉(zhuǎn)換器

顧名思義，在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓高于輸入電壓。高多少取決于各種因素，但對于大多數(shù)實(shí)際來說，輸出電壓最大值高達(dá)輸入電壓的五倍，而高達(dá)三倍對于實(shí)現(xiàn)良好的輸出電壓調(diào)節(jié)則更為可行，請參見圖 4。

圖 4：升壓轉(zhuǎn)換器的基本概念。（來源： Recom）

與圖 2 所示的降壓轉(zhuǎn)換器配置相比，開關(guān)晶體管 S1、電感器 L1 和二極管 D1（在圖 1 中為開關(guān)）放在略有不同的位置。當(dāng) S1 導(dǎo)通時(shí)，能量存儲在 L1 中，而當(dāng) S1 關(guān)閉時(shí)，能量被添加到已經(jīng)跨過輸入電容器的輸入電壓，并傳遞到輸出電容器。

降壓和升壓轉(zhuǎn)換器均使用很少的組件，這種方法可確保它們具有更高能效，通常高達(dá)97%。

上面強(qiáng)調(diào)的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠疾皇歉綦x式，這意味著任何輸入電壓都可能出現(xiàn)在輸出端。如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器由 AC 線路電源供電，則在故障情況下可能會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn) AC 線路電壓，從而產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重后果。醫(yī)療和保健等許多應(yīng)用都需要輸入和輸出之間的進(jìn)行電隔離。例如，對于接地連接不常見的情況，在開關(guān)穩(wěn)壓器中實(shí)現(xiàn)電隔離的一種方法是使用變壓器；隔離式反激式轉(zhuǎn)換器即是這樣一個(gè)例證，參見圖 5。

圖 5：隔離反激式轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。（來源：維基百科）

隔離式反激轉(zhuǎn)換器

在隔離式反激轉(zhuǎn)換器中，變壓器既是儲能電感器，又提供電隔離。這種拓?fù)浼軜?gòu)可能是在所有DC/DC 轉(zhuǎn)換器中最簡單的，具有最少數(shù)量的組件，但通常僅限于低功率應(yīng)用 (< 50 W) 和那些可以承受相對較高紋波電流的應(yīng)用。變壓器會(huì)引入初級到次級的損耗，因此大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器都難以實(shí)現(xiàn)高于 90% 的效率。然而，與降壓和升壓拓?fù)浼軜?gòu)不同，使用變壓器能夠通過增加或減少匝數(shù)比來實(shí)現(xiàn)更寬范圍的輸出電壓。此外，增加的次級繞組可用于提供多路輸出電壓。

推挽式、半橋和全橋轉(zhuǎn)換器
推挽式、半橋和全橋轉(zhuǎn)換器都是目前在使用的其它一些隔離式開關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)示例。推挽式架構(gòu)采用兩個(gè)開關(guān)器件，并在它們之間共享電流，適合更高功率的應(yīng)用。這種拓?fù)浼軜?gòu)使用分離式中心抽頭初級和次級繞組，需要更昂貴的變壓器。半橋和全橋拓?fù)浼軜?gòu)類似于推挽，但只需要一個(gè)初級繞組。半橋使用兩個(gè)開關(guān)器件，全橋使用四個(gè)，請參見圖 5。

圖 6：全橋隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器簡化原理圖。

輸出調(diào)節(jié)
DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)除了需要基于特定拓?fù)浼軜?gòu)之外，如何穩(wěn)定輸出電壓也是一個(gè)重要考慮因素。在所有負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)對輸出的嚴(yán)格調(diào)節(jié)對于具有快速變化動(dòng)態(tài)計(jì)算負(fù)載的處理器來說尤其重要，必須快速準(zhǔn)確地將輸出電壓反饋到 PWM 開關(guān)功能以適當(dāng)調(diào)節(jié)占空比。今天，大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制 IC 都包含此項(xiàng)功能，在非隔離拓?fù)浼軜?gòu)中可輕松實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。

但是，實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的隔離需要額外的組件，從而增加了 BOM 成本，比較受歡迎的隔離反饋方法包括使用附加的變壓器或光耦合器。對額外組件的需求不僅會(huì)增加BOM成本，還會(huì)增大 PCB 空間要求。在當(dāng)今空間受限的設(shè)計(jì)中，需要將 PCB 空間保持在最低限度。此外，除了 BOM 成本外，設(shè)計(jì)中使用的組件數(shù)量越多，組件采購和物流可能遇到的挑戰(zhàn)就越復(fù)雜。使用更多組件也會(huì)影響最終產(chǎn)品的可靠性。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 和模塊

最近的一種創(chuàng)新解決方案使用初級側(cè)感應(yīng)來提供更簡單的穩(wěn)壓方法。在反激“關(guān)斷”期間，控制器 IC 通過變壓器感測反射的次級輸出。 一個(gè)“無光耦”反激式控制器 IC 的示例是Maxim MAX17687，請參見圖 7。

圖 7：一個(gè)無光耦，并采用最少量元件的反激轉(zhuǎn)換器 IC 示例Maxim MAX17687，可用于從 16～ 60V電源輸入實(shí)現(xiàn)12V/750 mA輸出。（來源： Maxim）

MAX17687 控制器集成了兩個(gè)片上 MOSFET，能夠驅(qū)動(dòng) 3.2A 的初級峰值電流。使用初級側(cè)檢測技術(shù)，輸出電壓能夠穩(wěn)定在±1.2 % 以內(nèi)。芯片的 PWM 頻率可在100～500 kHz 之間進(jìn)行編程，轉(zhuǎn)換效率通常高于 90%。

一個(gè)完整反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊的例子是開放式框架、通孔安裝的隔離式村田Murata UWS-Q12 系列。

該模塊能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)分立式DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供一種極有吸引力的替代方案。首先，在開發(fā)過程中可以去除大量的設(shè)計(jì)工作，能夠節(jié)省大量的工程時(shí)間。從 BOM 的角度來看，該模塊也具有優(yōu)勢，因?yàn)樗軌驕p少組件數(shù)量，并簡化組件物流。另一方面，該模塊通常已經(jīng)通過了 EMC/EMI 合規(guī)性和醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，進(jìn)一步簡化了產(chǎn)品審批。

緊湊型UWS-Q12 系列能夠達(dá)到91%的效率，可提供 3.3V、5V、12V、15V 或 24V 的流行標(biāo)稱單輸出電壓，并且在 9～36V 輸入電壓范圍內(nèi)可以提供高達(dá) 54W的功率。它還包括一套全面的自我保護(hù)功能，例如輸入欠壓和過熱等功能。

圖 8：Murata UWS-Q12。（來源： Murata）

Traco TSR 1.5E 系列是一種可替代傳統(tǒng)低效率線性穩(wěn)壓器的便捷方法，它是一種簡單替代式 1.5A 部件，使用降壓非隔離拓?fù)浼軜?gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá) 97 % 的效率，并可適應(yīng)各種輸入電壓。該系列中的器件能夠提供 3.3VDC（7803 替代品）、5VDC（7805 替代品）和 12VDC（7812 替代品）。

TI 已經(jīng)將其 DCS-Control 技術(shù)（直接控制和無縫轉(zhuǎn)換）應(yīng)用于降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)。與同步降壓方法相比，改進(jìn)的 DCS 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了明顯改善的瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)壓和紋波特性。TI可為轉(zhuǎn)換器提供控制器 ICTPS6282x 和帶有集成電感器的轉(zhuǎn)換器模塊。圖 9 是一個(gè)具有集成 FET 和電感器的非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器模塊功能框圖。

圖 9：帶有 TPS6282x 控制器 IC 的 TI TPSM82821 降壓轉(zhuǎn)換器模塊功能框圖。（來源： TI）

電源轉(zhuǎn)換變得簡單

在本文中，我們討論了一些比較流行的 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼軜?gòu)，并重點(diǎn)介紹了一些產(chǎn)品示例。轉(zhuǎn)換器 IC 是實(shí)現(xiàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的一種流行且節(jié)省空間和 BOM 的方法。集成有開關(guān)晶體管或 FET 的低功率轉(zhuǎn)換器 IC 在許多工業(yè)、商業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域非常受歡迎。而整合有控制器 IC、電感器和所有附加組件的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊最容易集成到最終產(chǎn)品，也最容易采購管理。