對于許多類型的電子，是復雜的信息娛樂系統(tǒng)還是簡單的電池供電工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)傳感器，都需要某種形式的電源轉(zhuǎn)換。但是，就DC/DC和AC/DC電源轉(zhuǎn)換而言，有多種類型的開關(guān)式拓撲結(jié)構(gòu)可以選擇。類型的選擇取決于所需的電壓水平和所需的功率表格。將電源的基本概念，包括隔離介紹和中斷技術(shù)。轉(zhuǎn)換討論一些基于分立器件和模塊設(shè)計的最流行的拓撲結(jié)構(gòu)。
我們今天所使用的大多數(shù)技術(shù)都需要進行電源轉(zhuǎn)換。例如，智能手機可能會使用標稱輸出電壓為3.7V的鋰離子電池。但是，手機內(nèi)部的器件可能會在更高或更高的電壓水平下工作，其中最常見的是1.8V、3.3V和5.0V。電源轉(zhuǎn)換技術(shù)用于將電池的標稱輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需的電壓。即使是數(shù)以百萬計的、用于在移動過程中為智能手機和耳機等便攜式設(shè)備充電的USB移動電源此類設(shè)備，內(nèi)部也有電源轉(zhuǎn)換。同樣，也使用標稱電壓為3.7V的鋰離子電池組，而電源轉(zhuǎn)換技術(shù)可將電源電壓提高到所需的5.0V其。
對于智能音箱、電視或其他家用電器等日益增多的電子產(chǎn)品，需要將電源電壓轉(zhuǎn)換為合適的水平。這些應(yīng)用會使用AC/DC電源適配器和DC/DC轉(zhuǎn)換器。以往使用的是線性技術(shù)，需要轉(zhuǎn)換大量零件，而且效率相對較低。雖然這種技術(shù)目前仍用于少量DC/DC電源任務(wù)，但大多數(shù)應(yīng)用都已轉(zhuǎn)用開關(guān)穩(wěn)壓器。
開關(guān)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)是先將能量存儲在穩(wěn)壓器或電容器中，然后這個儲存的能量就使開關(guān)穩(wěn)壓器能夠提供或低于標稱輸入電壓的輸出電壓，參見圖1。
圖1 ：典型DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能充電。（圖片來源：村田制作所）
為了驅(qū)動轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)，可將PWM信號施加到一個半導體器件上。PWM信號的占空比和頻率會直接影響到效率、負載調(diào)整，以及輸出電壓。從本質(zhì)上講，PWM和開關(guān)器件形成一個電壓泵電路，在“通”周期內(nèi)將能量轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器中；在“關(guān)斷”期間將這個儲存的能量釋放并進行輸出穩(wěn)定。然后就可以用PWM信號實現(xiàn)輸出穩(wěn)定。為了實現(xiàn)輸入到輸出隔離，將轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器元件，并裝有一個轉(zhuǎn)換器。
多年來，近幾年DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)已被廣泛采用，主要包括：
本文重點介紹其他常用的交換機拓撲結(jié)構(gòu)：推挽、半橋和全橋。
顧名思義，降壓轉(zhuǎn)換器可將輸出電壓降低。例如，如果標稱輸入為5Vdc，它可將電壓轉(zhuǎn)換為3.3Vdc。
圖2 ：異步降壓轉(zhuǎn)換器的功能停止。（圖片來源：村田制作所）
如果看圖2，SW1通常是一個用PWM信號驅(qū)動的晶體管，SW2則代表一個二極管。當SW1“導通”時，有電流通過，并將能量繼電器中。相反，當SW1處于“關(guān)閉”狀態(tài)時，電流流過二極管而使能量釋放，同時提供所需的輸出電壓。請記住，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于PWM信號的占空比，參見圖3。
圖3 ：PWM信號的占空比會影響降壓控制器的輸出電壓。（圖片來源：村田制作所）
在同步降壓拓撲結(jié)構(gòu)中，二極管由FET代替，并由異相信號驅(qū)動。由于FET降低了正向電阻，可以降低損耗，從而提高效率，因此受到廣泛采用。
對于升壓轉(zhuǎn)換器，則電壓輸出為輸入電壓。電壓輸出電壓升高的大小取決于多個因素。對于大多數(shù)設(shè)計而言，最大升壓為5倍，但最常見的是采用3倍升壓，這樣就可優(yōu)化輸出電壓穩(wěn)定，參見圖4。
圖4 ：升壓轉(zhuǎn)換器的基本功能立即關(guān)機。（圖片來源：Recom ）
與圖2所示的降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)相比，S1(開關(guān)晶體管)、L1(電感器)和D1(電位器)的布局位置預設(shè)不同。當S1“導通”時，能量轉(zhuǎn)換器在L1中。當其“關(guān)斷”時，該能量就會加到輸入適配器的輸入電壓上，并添加到輸出轉(zhuǎn)換器上。
由于上面討論的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)過隔離，因此任何輸入電壓都可能反應(yīng)到輸出端。例如，如果DC/DC轉(zhuǎn)換器是由交流電源供電，那么系統(tǒng)故障就可能使這個電壓出現(xiàn)在輸出端，從而可能導致潛在的后果，具體取決于最終應(yīng)用。對于醫(yī)療和保健應(yīng)用，在輸入和輸出之間增加電流隔離，就消除這種風險。在接地不常見的情況下，實現(xiàn)電流隔離的一種方法是可以使用變壓器。
在隔離式反激拓撲結(jié)構(gòu)中，變壓器有兩種功能：儲存狀態(tài)和提供隔離。這種拓撲也許是所有DC/DC電源中最簡單的一種，所以需要的引腳數(shù)量稀疏，如圖5所示。
圖5 ：隔離式反激轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。（圖片來源：維基百科）
隔離式反激式轉(zhuǎn)換器通常適合于50W以下的電源應(yīng)用，以及可以承受相對較紋波電流的應(yīng)用。由于會產(chǎn)生初級到次級損耗，大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器能很少達到90%以上的效率。盡管如此，通過增加或減少變壓器的匝數(shù)比，可以獲得更廣范圍的輸出電壓。另外，更多的次級修飾，可以提供多個輸出電壓。
推挽式、半橋和全橋式轉(zhuǎn)換器也都是隔離式開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)，并經(jīng)常受到使用。推挽式適用于較大功率的應(yīng)用，它使用兩個開關(guān)器件和式共用同一電流。這種配置使用分離的中心抽頭初級和次級端子，需要因此昂貴的轉(zhuǎn)換器。與推挽式一樣，半橋和全橋只需要一個初級轉(zhuǎn)換器。半橋使用兩個開關(guān)器件，全橋使用四個，如圖6。
圖6 ：全橋隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。
除了要為DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計選擇特定的拓撲之外，另一個重要的考慮因素就是如何使輸出電壓穩(wěn)定。處理器由于其計算工作負載會發(fā)生變化，因此就必須保證其在所有負載條件下都得到嚴格穩(wěn)壓。在這種情況下，將輸出電壓反饋到PWM開關(guān)功能而使占空比發(fā)生改變的過程，必須要準確。大多數(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器控制IC現(xiàn)在都包含完成功能，因此，非對于隔離結(jié)構(gòu)，這個工作很容易完成。
但是，要使輸入到輸出保持隔離，需要使用變壓器或光耦合器等額外的元件，這就會提高BOM成本以及對PCB空間的要求。使用更多的元件，還會增加設(shè)計的復雜性，進而可能影響最終產(chǎn)品的整體可靠性。
一種簡單的穩(wěn)壓方法，是采用初級側(cè)檢測。這里，控制器IC在反激“關(guān)斷”期間通過變壓器檢測更次級輸出。Maxim MAX17687的“無光耦合”反激控制器式IC，就是一個很好的例子，見圖7。它有兩片上MOSFET，可以驅(qū)動3.2A的初級初級電流。
圖7 ：Maxim MAX17687無光耦反激式轉(zhuǎn)換器在16V到60V電源的條件下，可產(chǎn)生12V/750mA的輸出。（圖片來源：Maxim ）
通過采用這種檢測方法，輸出電壓可穩(wěn)定在±1.2%以內(nèi)。該IC的PWM頻率也可以編程(100kHz到500kHz)，并且通常可以實現(xiàn)超過90%的轉(zhuǎn)換效率。
對于使用分立式DC/DC轉(zhuǎn)換器，一種非常具有吸引力的替代方法就是使用模塊。使用模塊可以簡化整體設(shè)計工作，從而節(jié)省工程時間。選擇符合EMC/EMI和所需安全標準要求的預認證模塊，還可以簡化產(chǎn)品認證過程。
村田制作所的UWS-Q12裸板隔離式反激DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，就是一個很好的例子。該系列模塊外殼3.3V到24V的常用標稱單輸出電壓，在9V到36V輸入的條件下可提供高達54W的功率，效率則高達91%。還具有廣泛的保護功能，輸入包括欠壓保護和過熱電路保護，并已通過UL/EN60950-1安全認證。
圖8 ：村田制作所UWS-Q12系列隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。（圖片來源：村田制作所）
如果在現(xiàn)有設(shè)計中替換掉低效率的線性穩(wěn)壓器，Traco TSR 1.5E系列這1.5A的器件，就非常方便。其采用降壓非隔離式拓撲，可實現(xiàn)高達97%的效率，并可適應(yīng)7V到36V的寬輸入工作電壓范圍。小尺寸的SIP 3裸板模塊，提供了第三輸出選擇：3.3V、5.0V和12V。
與標準的同步降壓技術(shù)相比，德州儀器(TI)的DCS-Control技術(shù)可實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)以及更好的穩(wěn)壓和紋波性。該轉(zhuǎn)換器既可作為獨立器件TPS6282x供貨，也可作為帶集成式示波器的模塊TPSM8282x供貨，參見圖9。
圖9 ：TI的TPSM82821降壓轉(zhuǎn)換器模塊，集成了TPS6282x控制器IC 。（圖片來源：TI ）
本文討論了最流行的 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換拓撲，并重點介紹了一些產(chǎn)品示例。對于 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器 IC 是節(jié)省空間和降低 BOM 成本的首選。集成了開關(guān)晶體管或 FET 的小型電源轉(zhuǎn)換器 IC，可廣泛覆蓋許多工業(yè)、商業(yè)和產(chǎn)品應(yīng)用中。然而，帶有集成式轉(zhuǎn)換器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊，則可提供一種易于集成和采購的、非常具有效益的替代方案。
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