DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種將直流電壓或者電流電平轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓或電流電平的電子電路。大多數(shù)情況下，設備只使用一個電源。
如果不同的子電路需要不同的電壓才能正常工作，才需要將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低或者較高的電平，這個時候就可以通過DC-DC轉(zhuǎn)換器來完成了。
DC-DC轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換電壓，可以用來穩(wěn)定電壓，不會讓電壓下降或者上升太多。例如：汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器用途之一就是調(diào)節(jié)汽車交流發(fā)電機中的電壓波動。
DC-DC轉(zhuǎn)換器挨著電源
1、線性DC-DC轉(zhuǎn)換器
線性轉(zhuǎn)換器通過阻性負載降低輸出電壓，在這里輸入和輸出連接一個晶體管。輸入電壓被晶體管兩端的電壓降低，從而導致輸出電壓下降。
線性DC-DC轉(zhuǎn)換器
線性DC-DC轉(zhuǎn)換器是最簡單的轉(zhuǎn)換器類型，這里的電壓通過放置在輸入和輸出之間的晶體管來降低。
線性DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路簡單和便宜，但是也有許多缺點。只能用于降低電壓，此外，效率會隨著輸入和輸出電壓之差的增加而下降。
另一方面，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，很容易就會過熱。
線性DC-DC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備和節(jié)點或者用于對電磁干擾敏感的設備。
線性轉(zhuǎn)換器通常用于音頻和視頻電子、通信設備、醫(yī)療和測量設備。
2、開關DC-DC轉(zhuǎn)換器
開關轉(zhuǎn)換器使用開關元件、通過電脈沖為存儲電容充電，然后，電壓通過電容進行平滑處理并傳輸至負載，輸出電壓電平由開關元件的占空比定義。
開關DC-DC轉(zhuǎn)換器
開關DC-DC轉(zhuǎn)換器由電源開關、導體線圈、二極管和存儲電容組成。元器件的數(shù)量及排列方式都會影響到轉(zhuǎn)換器的工作。
輸入電壓以脈沖形式施加，但是電容對其進行了平滑處理。與線性轉(zhuǎn)換器相比，開關轉(zhuǎn)換器的效率要高，可以達到85-90%。
因為效率比較高，也不會產(chǎn)生太多的熱量，可用于降低和增加輸出電壓，會產(chǎn)生更多的電磁噪聲并需要更多的組件，也會更貴。
DC轉(zhuǎn)換器應用實際案例：
下面為一個實際項目，需要為多個無線電發(fā)射器的設備中的多個子電路供電。
子電路需要5V，而輸入電壓為12V.最大電流達到2A。在這種情況下，使用線性轉(zhuǎn)換器是不太實際的，因為一半以上的能量會以熱量的形式耗散(全功率高達14W)。
安裝冷卻散熱器也不是一個好的選擇，因為外殼太小(10x10x1 厘米)。相反，使用TPS54335轉(zhuǎn)換器。
DC轉(zhuǎn)換器應用實例
當子電路所需的輸入電壓和輸出電壓之間的差異太大時，開關轉(zhuǎn)換器可以避免產(chǎn)生過多的熱量。
3、非隔離和隔離DC-DC 轉(zhuǎn)換器
非隔離式DC-DC設計的特點是輸入和輸出電路致之間直接連接(也就是具有單一電路)，與隔離模型相比，可以用于低功率設備。例如：通信、計算機、汽車及其他行業(yè)。
隔離式轉(zhuǎn)換器，輸入和輸出相互分離，通常使用的式變壓器，可以阻止2個電路之間的直流流動。
通常來說初級和次級是分開，廣泛用于高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，這個設計可以允許你斷開接地環(huán)路，可以保護敏感電路免受噪聲影響。
可以用于可編程邏輯控制器、工業(yè)自動化、IGBT驅(qū)動器的電源。
隔離式轉(zhuǎn)換器電路實例
例如下面這個例子，因為設備工作在潮濕的環(huán)境中，因此必須使用隔離式轉(zhuǎn)換器。在這里，使用了LM25017 fly-buck 穩(wěn)壓器。
隔離式轉(zhuǎn)換器電路實例
存在電擊風險的系統(tǒng)使用LM25017 fly-buck 穩(wěn)壓器是理想的選擇。
4、降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器
降壓轉(zhuǎn)換器，與輸入相比，產(chǎn)生較低的輸出電壓。
在簡單的降壓轉(zhuǎn)換器中，開關元件(K)快速打開和關閉電源。輸出電壓看起來像一系列方波。當開關打開時，線圈(L)和電容(C)會積蓄能量。
電容將這些波平滑成直流電壓。當電壓達到所需水平時，開關元件關閉，二極管(D)導通。自感電動勢使電流留過二極管，線圈中積累的能量為負載充電。
下面是一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器原理圖。
降壓轉(zhuǎn)換器
降壓轉(zhuǎn)換器用于許多領域，包括電池充電器、多媒體播放器、游戲機、監(jiān)視器和電視機。
5、升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器
升壓DC-DC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，感應線圈接收幾乎所有電流，而閉合的二極管不讓電流對電容和負載充電。
由于電流較高，與降壓原理圖相比，線圈可以積聚更多的磁場能量，當電壓下降到某一點時，電源鍵關閉，同時二極管導通。
輸入電壓增加了存儲在線圈中的能量，這樣的話，升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓高于輸入電壓。
升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器
如上圖，升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器與降壓型轉(zhuǎn)換器相同的組件，開關元件、導體線圈、二極管和電容，但排列方式不同。
升壓轉(zhuǎn)換器通常用于混合動力汽車、使用節(jié)能燈的照明系統(tǒng)，便攜式照明設備。
6、buck-bosst DC-DC 轉(zhuǎn)換器
buck-bosst DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以增加和減少輸入電壓以產(chǎn)生更高或者更低的輸出電平。當需要處理寬輸入電壓范圍時，通常就會用到。
在這種情況下，轉(zhuǎn)換器使用2個導體和2個電容來升高和降低電壓。
buck-bosst DC-DC 轉(zhuǎn)換器
buck-bosst DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常用于鋰離子電池供電的設備中。通常轉(zhuǎn)換器將電壓降低到所需水平。但是隨著電池電壓隨著時間下降會開始升高。
7、反相DC-DC轉(zhuǎn)換器
反相DC-DC轉(zhuǎn)換器的主要功能是反轉(zhuǎn)輸出電壓的極性。輸出電平可以高于或者低于輸入電平。當設備需要雙電源(例如運算放大器)
反相DC-DC轉(zhuǎn)換器
在選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器時，需要注意以下特性和參數(shù)，最重要的幾個如下：
1、輸入電壓
輸入電壓由使用的電源定義，不同的電源提供不同的輸入電壓。在設計的時候，必須要確保DC-DC轉(zhuǎn)換器可以承受這些電壓。
2、輸出電壓
DC-DC轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生固定或者可調(diào)的輸出電壓，可以從最小值到最大值，通常來說，型號的選擇由負載所需的電壓范圍決定。
3、輸出電流
輸出電流定義了轉(zhuǎn)換器可以提供的電功率。
4、效率
效率是傳輸?shù)捷敵龅妮斎牍β实陌俜直?，可以用下公式?
效率
例如：DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率差異很大，這個參數(shù)是至關重要的。例如：如果設備由電池供電，則效率定義了設備在必須要更換電池之前可以工作多長時間。
但在有些情況下，效率并沒有那么重要。然后轉(zhuǎn)換過程中損失的能量以熱量的形式消散。
5、溫度
由于額外的能量會轉(zhuǎn)換為熱量，因此過熱會成為一個嚴重的問題，這個時候就必須使用額外的熱保護。
6、尺寸和安裝
DC-DC轉(zhuǎn)換器有很多種封裝類型，如果需要將其安裝到PCB中，可以選擇多種安裝方式，但是也要考慮尺寸的問題。
1、EMC問題
電磁兼容性是使用DC-DC轉(zhuǎn)換器可能面臨的最明顯的問題，由于效率比較高，開關類DC-DC轉(zhuǎn)換器非常受歡迎，會產(chǎn)生電磁噪聲。因此，這類設備必須進行電磁兼容性測試，這樣確保不會對其他設備造成電磁干擾。
通常來說這些問題可以通過適當?shù)腜CB層堆疊、額外的電容和濾波電容來解決。例如必須避免在敏感元件和子電路附近安裝轉(zhuǎn)換器(尤其是導體線圈)。
在下面這個示意圖中，你可以看到一個鐵氧體磁珠(L2)，以及四個陶瓷電容(C5-8)和一個電化學電容(C4)。這些元件都安裝在那里保護模擬子電路免受EM干擾。
陶瓷電容抑制來自轉(zhuǎn)換器的高頻噪聲，電化學電容平滑來自不同來源的低頻波動，這種組合大大提高了電源的質(zhì)量。
在原理圖的右上角看到4個陶瓷電容和一個電化學電容。
2、安全問題
在許多設備中，輸入和輸出電壓之間的差異可以達到數(shù)百伏，這樣的話其實會非常危險，因此必須要使用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的設備。
1)功能絕緣
輸入和輸出電路之間的功能絕緣僅在正常工作時才需要，但是如果輸入到輸出絕緣發(fā)生擊穿或者故障，就無法提供足夠的電擊保護。這個保護級別必須至少滿足標準的一組要求：
電氣間隙和爬電距離
電氣強度測試
故障條件測試
如果滿足以下條件，就允許設備的DC-DC具有功能性絕緣：
交流轉(zhuǎn)直流電源在交流輸入和直流輸出之間使用加強絕緣或雙重絕緣。
AC-DC 電源使用基本絕緣或附加絕緣，而 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的次級電路連接到保護接地。
AC-DC 電源具有基本或附加絕緣，而 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的初級電路連接到保護接地。
2)基本絕緣
該絕緣等級提供基本的電擊保護。設備必須滿足所有三組(a、b 和 c)要求。如果 AC-DC 電源在 AC 輸入和 DC 輸出之間具有功能絕緣，而 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的次級電路連接到保護接地，則需要此級別。
3)附加絕緣
除了滿足基本的絕緣要求外，該等級還增加了一層保護，例如針對 71V 以上的峰值電壓將絕緣穿透距離增加 0.4 毫米。如果 AC-DC 電源在交流輸入和直流輸出之間使用基本絕緣，則需要此級別的保護。
4)雙重絕緣
該保護等級結(jié)合了基本絕緣和附加絕緣。
5)加強絕緣
它是一種單一絕緣系統(tǒng)，能夠提供與雙重絕緣相同的防護等級。它可以包含多個保護層，如果 AC-DC 電源在交流輸入和直流輸出之間沒有絕緣或功能絕，就需要加強絕緣。
3、散熱注意事項
DC-DC轉(zhuǎn)換器主要用于便攜式設備。
大多數(shù)熱量式由變壓器產(chǎn)生的，因此隔熱系統(tǒng)根據(jù)其制造材料在其高溫下的相互作用按照標準進行評級。在大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器中，可以發(fā)現(xiàn)在主PCB內(nèi)構(gòu)建的平面變壓器，很多工程師都不覺得這個是個安全隱患，除非溫度超過PCB的最大額定值。
過熱問題可以通通過多種方法組合來解決。例如：在下圖中，你可以看到4個產(chǎn)生大量熱量的電源轉(zhuǎn)換器。使用具有較低靜態(tài)漏源導通電阻的MOSFET晶體管，意味著更少的能量轉(zhuǎn)換為熱量。
此外，還制作了寬的平行走線并且添加了很多過孔，可以讓熱量從PCB的兩側(cè)散發(fā)出去。
下載文檔
