線性DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

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(shè)備只使用一個(gè)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(gè)時(shí)候就可以通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)完成了。

DC-DC轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換電壓，可以用來(lái)穩(wěn)定電壓，不會(huì)讓電壓下降或者上升太多。例如：汽車(chē)DC-DC轉(zhuǎn)換器用途之一就是調(diào)節(jié)汽車(chē)交流發(fā)電機(jī)中的電壓波動(dòng)。

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(guò)阻性負(fù)載降低輸出電壓，在這里輸入和輸出連接一個(gè)晶體管。輸入電壓被晶體管兩端的電壓降低，從而導(dǎo)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(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器類(lèi)型，這里的電壓通過(guò)放置在輸入和輸出之間的晶體管來(lái)降低。

線性DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路簡(jiǎn)單和便宜，但是也有許多缺點(diǎn)。只能用于降低電壓，此外，效率會(huì)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(huì)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(huì)過(guò)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(shè)備和節(jié)點(diǎn)或者用于對(duì)電磁干擾敏感的設(shè)備。

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(cè)量設(shè)備。

2、開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器使用開(kāi)關(guān)元件、通過(guò)電脈沖為存儲(chǔ)電容充電，然后，電壓通過(guò)電容進(jìn)行平滑處理并傳輸至負(fù)載，輸出電壓電平由開(kāi)關(guān)元件的占空比定義。

開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器

開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器由電源開(kāi)關(guān)、導(dǎo)體線圈、二極管和存儲(chǔ)電容組成。元器件的數(shù)量及排列方式都會(huì)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(duì)其進(jìn)行了平滑處理。與線性轉(zhuǎn)換器相比，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率要高，可以達(dá)到85-90%。

因?yàn)樾时容^高，也不會(huì)產(chǎn)生太多的熱量，可用于降低和增加輸出電壓，會(huì)產(chǎn)生更多的電磁噪聲并需要更多的組件，也會(huì)更貴。

DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用實(shí)際案例：

下面為一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，需要為多個(gè)無(wú)線電發(fā)射器的設(shè)備中的多個(gè)子電路供電。

子電路需要5V，而輸入電壓為12V.最大電流達(dá)到2A。在這種情況下，使用線性轉(zhuǎn)換器是不太實(shí)際的，因?yàn)橐话胍陨系哪芰繒?huì)以熱量的形式耗散(全功率高達(dá)14W)。

安裝冷卻散熱器也不是一個(gè)好的選擇，因?yàn)橥鈿ぬ?10x10x1 厘米)。相反，使用TPS54335轉(zhuǎn)換器。

DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)子電路所需的輸入電壓和輸出電壓之間的差異太大時(shí)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器可以避免產(chǎn)生過(guò)多的熱量。

3、非隔離和隔離DC-DC 轉(zhuǎn)換器

非隔離式DC-DC設(shè)計(jì)的特點(diǎn)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(shè)備。例如：通信、計(jì)算機(jī)、汽車(chē)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(gè)電路之間的直流流動(dòng)。

通常來(lái)說(shuō)初級(jí)和次級(jí)是分開(kāi)，廣泛用于高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，這個(gè)設(shè)計(jì)可以允許你斷開(kāi)接地環(huán)路，可以保護(hù)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(dòng)化、IGBT驅(qū)動(dòng)器的電源。

隔離式轉(zhuǎn)換器電路實(shí)例

例如下面這個(gè)例子，因?yàn)樵O(shè)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(shí)例

存在電擊風(fēng)險(xiǎn)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(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器中，開(kāi)關(guān)元件(K)快速打開(kāi)和關(guān)閉電源。輸出電壓看起來(lái)像一系列方波。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，線圈(L)和電容(C)會(huì)積蓄能量。

電容將這些波平滑成直流電壓。當(dāng)電壓達(dá)到所需水平時(shí)，開(kāi)關(guān)元件關(guān)閉，二極管(D)導(dǎo)通。自感電動(dòng)勢(shì)使電流留過(guò)二極管，線圈中積累的能量為負(fù)載充電。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)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(lǐng)域，包括電池充電器、多媒體播放器、游戲機(jī)、監(jiān)視器和電視機(jī)。

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(yīng)線圈接收幾乎所有電流，而閉合的二極管不讓電流對(duì)電容和負(fù)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(chǎng)能量，當(dāng)電壓下降到某一點(diǎn)時(shí)，電源鍵關(guān)閉，同時(shí)二極管導(dǎo)通。

輸入電壓增加了存儲(chǔ)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(kāi)關(guān)元件、導(dǎo)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(dòng)力汽車(chē)、使用節(jié)能燈的照明系統(tǒng)，便攜式照明設(shè)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(dāng)需要處理寬輸入電壓范圍時(shí)，通常就會(huì)用到。

在這種情況下，轉(zhuǎn)換器使用2個(gè)導(dǎo)體和2個(gè)電容來(lái)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(shè)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(shí)間下降會(huì)開(kāi)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(dāng)設(shè)備需要雙電源(例如運(yùn)算放大器)

反相DC-DC轉(zhuǎn)換器

在選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要注意以下特性和參數(shù)，最重要的幾個(gè)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(shè)計(jì)的時(shí)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(lái)說(shuō)，型號(hào)的選擇由負(fù)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(gè)參數(shù)是至關(guān)重要的。例如：如果設(shè)備由電池供電，則效率定義了設(shè)備在必須要更換電池之前可以工作多長(zhǎng)時(shí)間。

但在有些情況下，效率并沒(méi)有那么重要。然后轉(zhuǎn)換過(guò)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(huì)轉(zhuǎn)換為熱量，因此過(guò)熱會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候就必須使用額外的熱保護(hù)。

6、尺寸和安裝

DC-DC轉(zhuǎn)換器有很多種封裝類(lèi)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(wèn)題。

1、EMC問(wèn)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(wèn)題，由于效率比較高，開(kāi)關(guān)類(lèi)DC-DC轉(zhuǎn)換器非常受歡迎，會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。因此，這類(lèi)設(shè)備必須進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試，這樣確保不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成電磁干擾。

通常來(lái)說(shuō)這些問(wèn)題可以通過(guò)適當(dāng)?shù)腜CB層堆疊、額外的電容和濾波電容來(lái)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(dǎo)體線圈)。

在下面這個(gè)示意圖中，你可以看到一個(gè)鐵氧體磁珠(L2)，以及四個(gè)陶瓷電容(C5-8)和一個(gè)電化學(xué)電容(C4)。這些元件都安裝在那里保護(hù)模擬子電路免受EM干擾。

陶瓷電容抑制來(lái)自轉(zhuǎn)換器的高頻噪聲，電化學(xué)電容平滑來(lái)自不同來(lái)源的低頻波動(dòng)，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(gè)陶瓷電容和一個(gè)電化學(xué)電容。

2、安全問(wèn)題

在許多設(shè)備中，輸入和輸出電壓之間的差異可以達(dá)到數(shù)百伏，這樣的話其實(shí)會(huì)非常危險(xiǎn)，因此必須要使用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)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(shí)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(wú)法提供足夠的電擊保護(hù)。這個(gè)保護(hù)級(jí)別必須至少滿足標(biāo)準(zhǔn)的一組要求：

電氣間隙和爬電距離

電氣強(qiáng)度測(cè)試

故障條件測(cè)試

如果滿足以下條件，就允許設(shè)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(qiáng)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(jí)電路連接到保護(hù)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(jí)電路連接到保護(hù)接地。

2)基本絕緣

該絕緣等級(jí)提供基本的電擊保護(hù)。設(shè)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(jí)電路連接到保護(hù)接地，則需要此級(jí)別。

3)附加絕緣

除了滿足基本的絕緣要求外，該等級(jí)還增加了一層保護(hù)，例如針對(duì) 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(jí)別的保護(hù)。

4)雙重絕緣

該保護(hù)等級(jí)結(jié)合了基本絕緣和附加絕緣。

5)加強(qiáng)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(hù)等級(jí)。它可以包含多個(gè)保護(hù)層，如果 AC-DC 電源在交流輸入和直流輸出之間沒(méi)有絕緣或功能絕，就需要加強(qiáng)絕緣。

3、散熱注意事項(xiàng)

DC-DC轉(zhuǎn)換器主要用于便攜式設(shè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)。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(jué)得這個(gè)是個(gè)安全隱患，除非溫度超過(guò)PCB的最大額定值。

過(guò)熱問(wèn)題可以通通過(guò)多種方法組合來(lái)解決。例如：在下圖中，你可以看到4個(gè)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(dǎo)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(guò)孔，可以讓熱量從PCB的兩側(cè)散發(fā)出去。

DC-DC轉(zhuǎn)換器散熱注意事項(xiàng)