最初的 DC/DC 轉(zhuǎn)換解決方案均為低噪聲線性設(shè)計，使用簡單，但有兩個主要缺點。首先，輸出電壓必須始終低于輸入電壓;然而，線性穩(wěn)壓器效率極低，會將很大一部分供電以熱量的形式耗散。其次，根據(jù)輸入和輸出電壓差，線性穩(wěn)壓器的效率可能為 60% 或更低。

　　開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的發(fā)明解決了這兩個問題，但需要更復(fù)雜的設(shè)計方法。與線性設(shè)計相比，開關(guān)轉(zhuǎn)換器利用電感和電容元件的儲能特性以離散包的形式傳輸電力。電力脈沖存儲在電感器的磁場中或電容器的電場中。

　　開關(guān)控制器確保每個開關(guān)周期僅傳輸負載所需的功率，從而使此拓撲非常高效。最佳設(shè)計可實現(xiàn) 97% 或更高的效率。圖 1 顯示了開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的簡化框圖。

　　圖 1 中的開關(guān)功能由功率晶體管執(zhí)行，它們以受控順序在高效的“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間交替。這與線性設(shè)計中的連續(xù)操作形成對比。開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生高于或低于輸入的輸出(升壓或降壓)，或?qū)⑤斎腚妷悍崔D(zhuǎn)到輸出。

圖1

　　輸出可以是穩(wěn)壓的，也可以是非穩(wěn)壓的。非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會隨著負載電流或輸入電壓的變化而發(fā)生顯著變化。在穩(wěn)壓設(shè)計中，反饋控制環(huán)路(虛線)將輸出電壓反饋回開關(guān)塊;這會改變開關(guān)操作以補償輸出電壓與所需值的偏差，無論這些偏差是由輸入電壓變化(例如，電源電池緩慢耗盡)還是負載變化引起的。

　　最簡單的開關(guān)拓撲在輸入和輸出之間共享一個公共接地電流路徑，因此是非隔離的，其中電感元件是電感器。隔離轉(zhuǎn)換器在輸入和輸出之間提供電流隔離，因為它通過變壓器相互耦合的繞組產(chǎn)生的電磁場傳輸電力。由于輸出與輸入電氣隔離，因此輸入電壓與輸出的極性相同或相反并不重要。在線性設(shè)計中，接地返回電流直接在輸入和輸出之間流動;因此，隔離不是一種選擇，只需要三個引腳：Vin、公共接地和 Vout。

　　低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲

　　在電源設(shè)計中，性能越高，成本越高，復(fù)雜性越高，占用空間越大，這幾乎是必然的。由于小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的用戶非常看重緊湊尺寸和成本效益，那么 RECOM 如何在低功耗隔離式 DC/DC 產(chǎn)品中滿足他們的要求呢?

　　推挽式拓撲廣泛用于隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這是一種產(chǎn)生較高、較低或反相電壓的低成本方法，因為變壓器匝數(shù)比決定了輸出電壓關(guān)系。該拓撲簡單、效率較高，并且電磁輻射相對較低。

圖2

　　圖 2 顯示了具有非穩(wěn)壓輸出的隔離推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的框圖。為了節(jié)省空間，振蕩器和驅(qū)動晶體管可以組合在專用的推挽式變壓器驅(qū)動器 IC 中。

　　對于穩(wěn)壓輸出，最簡單的方法是在次級側(cè)添加一個與 +Vout 線串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器，如圖 3 所示。這種方法實現(xiàn)了預(yù)期目標，適用于最低功率的 DC/DC 設(shè)計。RECOM RY/P 系列就是一個例子，其中的線性穩(wěn)壓器提供短路保護以及穩(wěn)壓、低噪聲輸出。

圖3

　　這種設(shè)計可以實現(xiàn)約 65–75% 的效率。當(dāng)功率超過 1 W 或 2 W 時，最大化效率就成為更重要的優(yōu)先事項，需要進一步優(yōu)化設(shè)計。因此，使用初級側(cè)調(diào)節(jié)而不是次級側(cè)調(diào)節(jié)。代替線性調(diào)節(jié)器，在次級側(cè)監(jiān)測輸出電壓，并將其與所需電壓進行比較，以生成誤差電壓，然后將其發(fā)送回初級側(cè)振蕩器控制器。這會調(diào)整開關(guān)頻率以使誤差趨近于零。由于這是一種隔離設(shè)計，因此誤差信號也必須隔離。圖 4 顯示了 RECOM 額定功率為 3 W 及以上的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器中使用的這種方法，可實現(xiàn)約 85% 的效率。

圖4

　　對于具有更高功率輸出的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，需要一種更復(fù)雜的方法。線性穩(wěn)壓器不僅會以上述方式浪費功率，而且兩個次級側(cè)二極管也是損耗源。功率二極管的正向壓降通常為 0.5V，這意味著在 1 A 電流下功率損耗為 0.5 W。

　　解決方案是用由兩個 FET 和一個控制器組成的同步整流器取代二極管和線性穩(wěn)壓器。

　　圖 5 對比了這兩種方法。FET 通過在周期的正向部分打開并在周期的反向部分關(guān)閉來充當(dāng)整流器。快速開關(guān)和約 10 mΩ 的超低導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 的組合使 FET 成為理想的整流器。缺點是它們必須有源驅(qū)動，因此需要額外的定時和驅(qū)動電路來感測內(nèi)部電壓并與輸出波形同步正確地打開和關(guān)閉兩個 FET。二極管是無源器件，不需要額外的電路即可運行，但同步整流帶來的效率提高足以抵消更高輸出電流轉(zhuǎn)換器的成本復(fù)雜性增加。

圖5

　　同步整流器用于 RECOM 的 RP20 系列 20 W DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)高達 89% 的效率。該設(shè)計還包括前面描述的隔離誤差信號。最后，圖 6 中的 RP20 可在寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn) 85-89% 的效率。

圖6

　　借鑒大型電源設(shè)計的設(shè)計技術(shù)正應(yīng)用于最低瓦數(shù)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，從而實現(xiàn)更高的效率。由于客戶優(yōu)先級會隨著功率水平的提高而改變，因此必須進行適當(dāng)?shù)男薷摹ECOM 在選擇成本和尺寸最佳組合的正確設(shè)計方面處于領(lǐng)先地位。

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