同步整流DC/DC電源變換器應(yīng)用有哪些？如何實現(xiàn)設(shè)計？

什么是DC-DC轉(zhuǎn)換器及其功能?

DC-DC轉(zhuǎn)換器是將一種直流電壓或電流電平轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓或電流電平的機電設(shè)備或電子電路。在大多數(shù)情況下，設(shè)備只使用一個電源。但是，如果不同的子電路需要不同的電壓才能正常工作，則需要將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低或較高的電平。這可以通過 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來完成。此外，它們還能穩(wěn)定電壓，不會讓電壓下降或上升太多。例如，汽車 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的用途之一是調(diào)節(jié)汽車交流發(fā)電機中的電壓波動。

這些電路有助于正確分配和管理電力，為每個電力消費者提供適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏魉?。它還保護(hù)高度敏感的子電路。最重要的是，在便攜式設(shè)備中，它們可以在電池電量部分降低時升高電壓，從而提高功耗效率。這種轉(zhuǎn)換器用于許多電子設(shè)備中。根據(jù)EMR 的全球 DC-DC 轉(zhuǎn)換器市場報告，其中一半以上用于智能手機，但它們也有其他應(yīng)用：從消費電子和電信設(shè)備到工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備、工廠自動化、交通、機器人、電力電子等。作為電子開發(fā)商，我們在設(shè)計電力電子產(chǎn)品時也充分利用了各種DC-DC轉(zhuǎn)換器、硬件和機器人技術(shù)。DC/DC電源指直流變換為直流的電源，從定義看，LDO也應(yīng)歸屬于DC/DC電源，但一般只將由開關(guān)方式實現(xiàn)直流變換到直流的電源稱為DC/DC電源。

上文提到LDO的優(yōu)點是低噪聲低紋波，應(yīng)用簡單，成本低，輸入輸出幾乎無延時;而缺點是功耗大，效率低，只能用做降壓變換，只支持小電流的輸出，無法實現(xiàn)輸入/輸出隔離。

DC/DC則基本克服了LDO所有缺點。

DC/DC的優(yōu)點是功耗低，效率高，支持升壓，降壓，反相等變換，且支持大電流輸出，并能支持輸入輸出的隔離。

缺點是紋波較大，電路設(shè)計復(fù)雜，成本相對較高，輸入輸出存在較大延時。

常見類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器

線性和開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器

線性轉(zhuǎn)換器通過阻性負(fù)載降低輸出電壓。在這種類型的典型電路中，輸入和輸出連接一個晶體管(下圖中的 RVT1)。輸入電壓被晶體管兩端的電壓降低，這導(dǎo)致輸出電壓下降。

這種電路非常簡單和便宜，但有許多嚴(yán)重的缺點。它們只能用于降低電壓。此外，它們的效率會隨著輸入和輸出電壓之差的增加而下降。只要設(shè)備不是由電池供電，這種下降就無關(guān)緊要。另一方面，這種未使用的功率會以熱量的形式耗散，如果輸入和輸出電壓差異很大，則此類模型很容易過熱。

然而，它們用于需要高質(zhì)量輸出電壓和低輸出電壓紋波的低功率設(shè)備和節(jié)點，或用于對電磁干擾敏感的設(shè)備。它們設(shè)計簡單，使用的組件很少，并且可以節(jié)省大量空間(除非需要使用散熱器)。線性轉(zhuǎn)換器通常用于音頻和視頻電子、通信設(shè)備、醫(yī)療和測量設(shè)備。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器使用開關(guān)元件，通過電脈沖為存儲電容器充電。然后，該電壓通過電容器進(jìn)行平滑處理并傳輸至負(fù)載。輸出電壓電平由開關(guān)元件的占空比定義。

與線性轉(zhuǎn)換器相比，它們的效率要高得多，可以達(dá)到 85-90%。這就是為什么工程師更喜歡在電池供電的設(shè)備中使用它們。由于它們效率更高，因此不會產(chǎn)生太多熱量，可用于降低和增加輸出電壓。因此，只要線性類型不是一種選擇，就會使用它們。另一方面，它們會產(chǎn)生更多的電磁噪聲并需要更多的組件，這使得它們更加昂貴。

在我們的一個項目中，我們需要為具有多個無線電發(fā)射器的設(shè)備中的多個子電路供電。子電路需要 5V，而輸入電壓為 12V。最大電流有望達(dá)到2A。在這種情況下，使用線性轉(zhuǎn)換器是不切實際的，因為一半以上的能量會以熱量的形式耗散(全功率時高達(dá) 14W)。安裝冷卻散熱器也不是一種選擇，因為外殼太小(10x10x1 厘米)。相反，決定使用 TPS54335 開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

如您所見，這兩種轉(zhuǎn)換器類型各有利弊，因此很難做出決定。在決定使用哪種轉(zhuǎn)換器時，必須考慮一系列因素，包括與電磁兼容性、效率、過熱等相關(guān)的潛在問題。這就是為什么您需要一支經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員團(tuán)隊來完成這項工作。請隨時聯(lián)系我們討論您的項目或想法。

非隔離和隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計的特點是輸入和輸出電路之間直接連接(即具有單一電路)。與隔離模型相比，它們用于低功率設(shè)備以受益于成本相對較低、尺寸較小和效率較高，因為沒有變壓器會損失能量。這些類型用于通信、計算機、汽車和其他行業(yè)。

在隔離式轉(zhuǎn)換器中，輸入和輸出相互分離(通常使用變壓器)。它阻止了兩個電路之間的直流流動。通常，為了安全起見，初級和次級電路是分開的，這就是這種設(shè)計廣泛用于高壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的原因。此外，此設(shè)計還允許您斷開接地環(huán)路，以保護(hù)敏感電路免受噪聲影響。

它們用于可編程邏輯控制器、工業(yè)自動化、IGBT 驅(qū)動器的電源等。特別是，出于安全考慮，可能不允許在設(shè)備中使用非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

也稱為降壓轉(zhuǎn)換器和斬波器，與輸入相比，它們產(chǎn)生較低的輸出電壓。

在簡單的降壓轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)元件 (K) 快速打開和關(guān)閉電源。輸出電壓看起來像一系列方波。當(dāng)開關(guān)打開時，線圈 (L) 和電容器 (C) 會積累能量。電容器還將這些波平滑成直流電壓。當(dāng)電壓達(dá)到所需水平時，開關(guān)元件關(guān)閉，二極管 (D) 導(dǎo)通。自感電動勢使電流流過二極管。線圈中累積的能量為負(fù)載充電。

降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器用于許多領(lǐng)域，包括電池充電器、多媒體播放器、游戲機、監(jiān)視器和電視機。

升壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

也稱為 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，它們可以產(chǎn)生高于輸入電壓的電壓。在典型的升壓轉(zhuǎn)換器中，感應(yīng)線圈接收幾乎所有電流，而閉合的二極管不讓電流對電容器和負(fù)載充電。由于電流較高，與降壓原理圖相比，線圈會積聚更多的磁場能量。當(dāng)電壓下降到某一點時，電源鍵關(guān)閉，同時二極管導(dǎo)通。輸入電壓增加了存儲在線圈中的能量，這使得升壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓高于輸入電壓。

每當(dāng)您無法為電池提供足夠高的輸入電壓或根本沒有足夠的空間容納更多電池時，就會使用升壓轉(zhuǎn)換器。它們通常用于混合動力汽車、使用節(jié)能燈的照明系統(tǒng)、便攜式照明設(shè)備等。

通用直流到直流轉(zhuǎn)換器

它們可以增加和減少輸入電壓以產(chǎn)生更高或更低的輸出電平。它們也稱為升降壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)您處理寬輸入電壓范圍時，通常會使用這種類型。例如，它通常用于汽車電池。

這種電路通常用于由鋰離子電池供電的設(shè)備中。通用轉(zhuǎn)換器將電壓降低到所需水平。但隨著電池電壓隨時間下降，它開始升高。它們還可以在測量設(shè)備、照相機和攝像機、MP3 播放器、GPS 系統(tǒng)、無線設(shè)備(鍵盤、鼠標(biāo)、發(fā)射器)、LED 照明等中找到。

反相 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

它們的主要功能是反轉(zhuǎn)輸出電壓的極性。輸出電平可以高于或低于輸入電平。當(dāng)設(shè)備需要雙電源(例如，運算放大器)時，此類模型非常有用。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本特性

在為設(shè)備選擇 DC-DC 轉(zhuǎn)換器時，工程師會注意不同的特性和參數(shù)，其中最重要的如下：

輸入電壓該參數(shù)由所使用的電源定義。不同的電源(例如，AC-DC 適配器或電池)提供不同的輸入電壓。在設(shè)計電子產(chǎn)品時，硬件開發(fā)公司必須確保 DC-DC 轉(zhuǎn)換器能夠承受這些電壓。

輸出電壓DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生固定或可調(diào)的輸出電壓。后者可以從最小值到最大值不等。在這兩種情況下，型號的選擇均由負(fù)載所需的電壓范圍決定。

輸出電流輸出電流(連同輸出電壓)定義了轉(zhuǎn)換器可以提供的電功率。

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，DC/DC變換器的重要技術(shù)也得到了很大的進(jìn)步。本文就DC/DC變換器中的軟開關(guān)、同步整流、移相PWM技術(shù)和多電平技術(shù)等主要技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行介紹分析。

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DC/DC變換器隨著技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步，與變換器相關(guān)的技術(shù)也在不斷發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展也在一定程度上影響著變換器的發(fā)展。

例如在上個世紀(jì)得到發(fā)展的功率開關(guān)器件，功率開關(guān)器件的發(fā)展在一定程度上也影響著變換器的發(fā)展。

01. 軟開關(guān)技術(shù)

開關(guān)的一大發(fā)展方向就是高頻化，高頻的開關(guān)在日常生活中的使用越來越頻繁。

開關(guān)頻率的變高使得電路受到電磁的干擾更強，干擾的增強在一定程度上也影響著電路控制和電路驅(qū)動的穩(wěn)定程度。

所以在高頻化的同時也要努力減少開關(guān)造成的損耗，軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了這個問題。

軟開關(guān)變換器在出現(xiàn)后也經(jīng)歷了一系列的發(fā)展，在軟開關(guān)變換器發(fā)展到現(xiàn)在，軟開關(guān)變換器的性能依然依賴于變換器用到的開關(guān)器件。

電容比較大并且開關(guān)頻率比較高的情況下往往會產(chǎn)生大量的開關(guān)損耗，在這種情況下我們可以使用零電壓的開通方式避免大量損耗。

DC/DC變換器使用不同的器件可以獲得不同的性能，同一個電路使用不同器件的情況下性能也是不同的。

所以在選擇器件的同時要結(jié)合各個方面的因素，發(fā)揮其優(yōu)點，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。