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

電源轉換無處不在

在您所使用的大多數技術產品中都會使用電源轉換功能。以智能手機為例，它可能包含標稱輸出電壓為3.7V 的鋰電池，而手機的許多 IC 和相關功能卻需要在不同的電壓下運行，最常用的是 1.8V、3.3V 或 5.0V。電源轉換功能需要采用 3.7V電池， 并將電壓轉換為適當的電壓電平，可能是高于，也可能是低于電池的標稱輸出電壓。

另一個類似的例子是不起眼但卻數量巨大的USB移動電源，這種設備能夠幫助我們在旅途中為電子產品充電。同樣，它使用單個鋰電池提供的3.7V電壓，經過DC/DC 轉換器升高電壓以提供標準 USB 的5V輸出。

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

AC/DC 和 DC/DC 轉換包括兩種截然不同的技術；線性和開關技術。過去，線性方法廣泛用于電源供電設備，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 轉換中使用，但當今大多數應用都在采用開關穩(wěn)壓器方法。

基于開關的 DC/DC 轉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 突出顯示了開關模式 DC/DC 轉換器的基本概念。

圖 1： DC/DC 轉換器功能框圖。（來源：Murata）

一個PWM 信號被施加到半導體器件作為開關驅動信號。PWM 輸入的占空比（標記空間比）和頻率會直接影響轉換效率、負載穩(wěn)壓和輸出電壓。本質上看，PWM 和開關半導體期間將形成一個電荷泵電路，以便在導通周期間將能量存儲在電感器或電容器中。該能量在 PWM 信號關斷期間被釋放和整流，輸出電壓的調節(jié)應用于 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現輸入到輸出的隔離。

多年來，有幾種 DC/DC 轉換器拓撲架構已經變得很流行，這里我們進行簡要說明。

流行的 DC/DC 轉換器拓撲架構

降壓轉換器

異步降壓轉換器拓撲架構是將輸入電壓轉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：降壓轉換器的主要功能。（來源：Murata）

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

降壓轉換器的輸出電壓取決于開關 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）

在同步降壓拓撲架構中，二極管被另一個開關元件所替代，通常是采用 FET，它由異相開關信號驅動。 FET 通常具有較低的正向電阻，從而能夠減少損耗。

升壓轉換器

顧名思義，在升壓轉換器中，輸出電壓高于輸入電壓。高多少取決于各種因素，但對于大多數實際來說，輸出電壓最大值高達輸入電壓的五倍，而高達三倍對于實現良好的輸出電壓調節(jié)則更為可行，請參見圖 4。

圖 4：升壓轉換器的基本概念。（來源： Recom）

與圖 2 所示的降壓轉換器配置相比，開關晶體管 S1、電感器 L1 和二極管 D1（在圖 1 中為開關）放在略有不同的位置。當 S1 導通時，能量存儲在 L1 中，而當 S1 關閉時，能量被添加到已經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97%。

上面強調的降壓和升壓轉換器拓撲都不是隔離式，這意味著任何輸入電壓都可能出現在輸出端。如果 DC/DC 轉換器由 AC 線路電源供電，則在故障情況下可能會導致輸出端出現 AC 線路電壓，從而產生潛在的嚴重后果。醫(yī)療和保健等許多應用都需要輸入和輸出之間的進行電隔離。例如，對于接地連接不常見的情況，在開關穩(wěn)壓器中實現電隔離的一種方法是使用變壓器；隔離式反激式轉換器即是這樣一個例證，參見圖 5。

圖 5：隔離反激式轉換器的簡化原理圖。（來源：維基百科）

隔離式反激轉換器

在隔離式反激轉換器中，變壓器既是儲能電感器，又提供電隔離。這種拓撲架構可能是在所有DC/DC 轉換器中最簡單的，具有最少數量的組件，但通常僅限于低功率應用 (< 50 W) 和那些可以承受相對較高紋波電流的應用。變壓器會引入初級到次級的損耗，因此大多數反激式轉換器都難以實現高于 90% 的效率。然而，與降壓和升壓拓撲架構不同，使用變壓器能夠通過增加或減少匝數比來實現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、半橋和全橋轉換器
推挽式、半橋和全橋轉換器都是目前在使用的其它一些隔離式開關拓撲架構示例。推挽式架構采用兩個開關器件，并在它們之間共享電流，適合更高功率的應用。這種拓撲架構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。半橋和全橋拓撲架構類似于推挽，但只需要一個初級繞組。半橋使用兩個開關器件，全橋使用四個，請參見圖 5。

圖 6：全橋隔離式 DC/DC 轉換器簡化原理圖。

輸出調節(jié)
DC/DC 轉換器設計除了需要基于特定拓撲架構之外，如何穩(wěn)定輸出電壓也是一個重要考慮因素。在所有負載條件下，實現對輸出的嚴格調節(jié)對于具有快速變化動態(tài)計算負載的處理器來說尤其重要，必須快速準確地將輸出電壓反饋到 PWM 開關功能以適當調節(jié)占空比。今天，大多數 DC/DC 轉換器控制 IC 都包含此項功能，在非隔離拓撲架構中可輕松實現這一任務。

但是，實現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增加BOM成本，還會增大 PCB 空間要求。在當今空間受限的設計中，需要將 PCB 空間保持在最低限度。此外，除了 BOM 成本外，設計中使用的組件數量越多，組件采購和物流可能遇到的挑戰(zhàn)就越復雜。使用更多組件也會影響最終產品的可靠性。

DC/DC 轉換器 IC 和模塊

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

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

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

一個完整反激式 DC/DC 轉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。

該模塊能夠為設計分立式DC/DC 轉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計工作，能夠節(jié)省大量的工程時間。從 BOM 的角度來看，該模塊也具有優(yōu)勢，因為它能夠減少組件數量，并簡化組件物流。另一方面，該模塊通常已經通過了 EMC/EMI 合規(guī)性和醫(yī)療安全標準的認證，進一步簡化了產品審批。

緊湊型UWS-Q12 系列能夠達到91%的效率，可提供 3.3V、5V、12V、15V 或 24V 的流行標稱單輸出電壓，并且在 9～36V 輸入電壓范圍內可以提供高達 54W的功率。它還包括一套全面的自我保護功能，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，使用降壓非隔離拓撲架構能夠實現高達 97 % 的效率，并可適應各種輸入電壓。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 已經將其 DCS-Control 技術（直接控制和無縫轉換）應用于降壓轉換器拓撲架構。與同步降壓方法相比，改進的 DCS 拓撲實現了明顯改善的瞬態(tài)響應、穩(wěn)壓和紋波特性。TI可為轉換器提供控制器 ICTPS6282x 和帶有集成電感器的轉換器模塊。圖 9 是一個具有集成 FET 和電感器的非隔離式降壓轉換器模塊功能框圖。

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

電源轉換變得簡單

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