线性DC-DC转换器的工作原理

DC-DC转换器是一种将直流电压或者电流电平转换为另一种直流电压或电流电平的电子电路。大多数情况下，设备只使用一个电源。

如果不同的子电路需要不同的电压才能正常工作，才需要将输入电压转换为较低或者较高的电平，这个时候就可以通过DC-DC转换器来完成了。

DC-DC转换器除了转换电压，可以用来稳定电压，不会让电压下降或者上升太多。例如：汽车DC-DC转换器用途之一就是调节汽车交流发电机中的电压波动。

DC-DC转换器挨着电源

1、线性DC-DC转换器

线性转换器通过阻性负载降低输出电压，在这里输入和输出连接一个晶体管。输入电压被晶体管两端的电压降低，从而导致输出电压下降。

线性DC-DC转换器

线性DC-DC转换器是最简单的转换器类型，这里的电压通过放置在输入和输出之间的晶体管来降低。

线性DC-DC转换器的电路简单和便宜，但是也有许多缺点。只能用于降低电压，此外，效率会随着输入和输出电压之差的增加而下降。

另一方面，未使用的功率会以热量的形式耗散，如果输入和输出电压差异很大，很容易就会过热。

线性DC-DC用于需要高质量输出电压和低输出电压纹波的低功率设备和节点或者用于对电磁干扰敏感的设备。

线性转换器通常用于音频和视频电子、通信设备、医疗和测量设备。

2、开关DC-DC转换器

开关转换器使用开关元件、通过电脉冲为存储电容充电，然后，电压通过电容进行平滑处理并传输至负载，输出电压电平由开关元件的占空比定义。

开关DC-DC转换器

开关DC-DC转换器由电源开关、导体线圈、二极管和存储电容组成。元器件的数量及排列方式都会影响到转换器的工作。

输入电压以脉冲形式施加，但是电容对其进行了平滑处理。与线性转换器相比，开关转换器的效率要高，可以达到85-90%。

因为效率比较高，也不会产生太多的热量，可用于降低和增加输出电压，会产生更多的电磁噪声并需要更多的组件，也会更贵。

DC转换器应用实际案例：

下面为一个实际项目，需要为多个无线电发射器的设备中的多个子电路供电。

子电路需要5V，而输入电压为12V.最大电流达到2A。在这种情况下，使用线性转换器是不太实际的，因为一半以上的能量会以热量的形式耗散(全功率高达14W)。

安装冷却散热器也不是一个好的选择，因为外壳太小(10x10x1 厘米)。相反，使用TPS54335转换器。

DC转换器应用实例

当子电路所需的输入电压和输出电压之间的差异太大时，开关转换器可以避免产生过多的热量。

3、非隔离和隔离DC-DC 转换器

非隔离式DC-DC设计的特点是输入和输出电路致之间直接连接(也就是具有单一电路)，与隔离模型相比，可以用于低功率设备。例如：通信、计算机、汽车及其他行业。

隔离式转换器，输入和输出相互分离，通常使用的式变压器，可以阻止2个电路之间的直流流动。

通常来说初级和次级是分开，广泛用于高压DC-DC转换器。此外，这个设计可以允许你断开接地环路，可以保护敏感电路免受噪声影响。

可以用于可编程逻辑控制器、工业自动化、IGBT驱动器的电源。

隔离式转换器电路实例

例如下面这个例子，因为设备工作在潮湿的环境中，因此必须使用隔离式转换器。在这里，使用了LM25017 fly-buck 稳压器。

隔离式转换器电路实例

存在电击风险的系统使用LM25017 fly-buck 稳压器是理想的选择。

4、降压型DC-DC转换器

降压转换器，与输入相比，产生较低的输出电压。

在简单的降压转换器中，开关元件(K)快速打开和关闭电源。输出电压看起来像一系列方波。当开关打开时，线圈(L)和电容(C)会积蓄能量。

电容将这些波平滑成直流电压。当电压达到所需水平时，开关元件关闭，二极管(D)导通。自感电动势使电流留过二极管，线圈中积累的能量为负载充电。

下面是一个简单的降压转换器原理图。

降压转换器

降压转换器用于许多领域，包括电池充电器、多媒体播放器、游戏机、监视器和电视机。

5、升压型DC-DC转换器

升压DC-DC可以产生高于输入电压的电压。在典型的升压转换器中，感应线圈接收几乎所有电流，而闭合的二极管不让电流对电容和负载充电。

由于电流较高，与降压原理图相比，线圈可以积聚更多的磁场能量，当电压下降到某一点时，电源键关闭，同时二极管导通。

输入电压增加了存储在线圈中的能量，这样的话，升压DC-DC转换器的输出电压高于输入电压。

升压DC-DC转换器

如上图，升压DC-DC转换器与降压型转换器相同的组件，开关元件、导体线圈、二极管和电容，但排列方式不同。

升压转换器通常用于混合动力汽车、使用节能灯的照明系统，便携式照明设备。

6、buck-bosst DC-DC 转换器

buck-bosst DC-DC 转换器可以增加和减少输入电压以产生更高或者更低的输出电平。当需要处理宽输入电压范围时，通常就会用到。

在这种情况下，转换器使用2个导体和2个电容来升高和降低电压。

buck-bosst DC-DC 转换器

buck-bosst DC-DC 转换器通常用于锂离子电池供电的设备中。通常转换器将电压降低到所需水平。但是随着电池电压随着时间下降会开始升高。

7、反相DC-DC转换器

反相DC-DC转换器的主要功能是反转输出电压的极性。输出电平可以高于或者低于输入电平。当设备需要双电源(例如运算放大器)

反相DC-DC转换器

在选择DC-DC转换器时，需要注意以下特性和参数，最重要的几个如下：

1、输入电压

输入电压由使用的电源定义，不同的电源提供不同的输入电压。在设计的时候，必须要确保DC-DC转换器可以承受这些电压。

2、输出电压

DC-DC转换器可以产生固定或者可调的输出电压，可以从最小值到最大值，通常来说，型号的选择由负载所需的电压范围决定。

3、输出电流

输出电流定义了转换器可以提供的电功率。

4、效率

效率是传输到输出的输入功率的百分比，可以用下公式：

效率

例如：DC-DC转换器的效率差异很大，这个参数是至关重要的。例如：如果设备由电池供电，则效率定义了设备在必须要更换电池之前可以工作多长时间。

但在有些情况下，效率并没有那么重要。然后转换过程中损失的能量以热量的形式消散。

5、温度

由于额外的能量会转换为热量，因此过热会成为一个严重的问题，这个时候就必须使用额外的热保护。

6、尺寸和安装

DC-DC转换器有很多种封装类型，如果需要将其安装到PCB中，可以选择多种安装方式，但是也要考虑尺寸的问题。

1、EMC问题

电磁兼容性是使用DC-DC转换器可能面临的最明显的问题，由于效率比较高，开关类DC-DC转换器非常受欢迎，会产生电磁噪声。因此，这类设备必须进行电磁兼容性测试，这样确保不会对其他设备造成电磁干扰。

通常来说这些问题可以通过适当的PCB层堆叠、额外的电容和滤波电容来解决。例如必须避免在敏感元件和子电路附近安装转换器(尤其是导体线圈)。

在下面这个示意图中，你可以看到一个铁氧体磁珠(L2)，以及四个陶瓷电容(C5-8)和一个电化学电容(C4)。这些元件都安装在那里保护模拟子电路免受EM干扰。

陶瓷电容抑制来自转换器的高频噪声，电化学电容平滑来自不同来源的低频波动，这种组合大大提高了电源的质量。

在原理图的右上角看到4个陶瓷电容和一个电化学电容。

2、安全问题

在许多设备中，输入和输出电压之间的差异可以达到数百伏，这样的话其实会非常危险，因此必须要使用高压DC-DC转换器的设备。

1)功能绝缘

输入和输出电路之间的功能绝缘仅在正常工作时才需要，但是如果输入到输出绝缘发生击穿或者故障，就无法提供足够的电击保护。这个保护级别必须至少满足标准的一组要求：

电气间隙和爬电距离

电气强度测试

故障条件测试

如果满足以下条件，就允许设备的DC-DC具有功能性绝缘：

交流转直流电源在交流输入和直流输出之间使用加强绝缘或双重绝缘。

AC-DC 电源使用基本绝缘或附加绝缘，而 DC-DC 转换器的次级电路连接到保护接地。

AC-DC 电源具有基本或附加绝缘，而 DC-DC 转换器的初级电路连接到保护接地。

2)基本绝缘

该绝缘等级提供基本的电击保护。设备必须满足所有三组(a、b 和 c)要求。如果 AC-DC 电源在 AC 输入和 DC 输出之间具有功能绝缘，而 DC-DC 转换器的次级电路连接到保护接地，则需要此级别。

3)附加绝缘

除了满足基本的绝缘要求外，该等级还增加了一层保护，例如针对 71V 以上的峰值电压将绝缘穿透距离增加 0.4 毫米。如果 AC-DC 电源在交流输入和直流输出之间使用基本绝缘，则需要此级别的保护。

4)双重绝缘

该保护等级结合了基本绝缘和附加绝缘。

5)加强绝缘

它是一种单一绝缘系统，能够提供与双重绝缘相同的防护等级。它可以包含多个保护层，如果 AC-DC 电源在交流输入和直流输出之间没有绝缘或功能绝，就需要加强绝缘。

3、散热注意事项

DC-DC转换器主要用于便携式设备。

大多数热量式由变压器产生的，因此隔热系统根据其制造材料在其高温下的相互作用按照标准进行评级。在大多数DC-DC转换器中，可以发现在主PCB内构建的平面变压器，很多工程师都不觉得这个是个安全隐患，除非温度超过PCB的最大额定值。

过热问题可以通通过多种方法组合来解决。例如：在下图中，你可以看到4个产生大量热量的电源转换器。使用具有较低静态漏源导通电阻的MOSFET晶体管，意味着更少的能量转换为热量。

此外，还制作了宽的平行走线并且添加了很多过孔，可以让热量从PCB的两侧散发出去。

DC-DC转换器散热注意事项