DC-DC转换器的基本设计知识（一）
摘要
DC－DC转换器模块广泛用于消费类电子产品，但它们如何工作以及在选择转换器产品时最重要的标准是什么？本文我们将介绍DC－DC转换器，以帮助理解在创建小巧而可靠的高能效设计时所面临的一些技术挑战。我们还将解释选择DC－DC转换器时必须要考虑的一些关键数据表参数。
文章正文
当Allesandro Volta用铜和锌盘以及浸有盐水的纸板制成电池时，当时只是一个新奇的产品，而这种低功率直流电（DC）实际应用却很少。随着对于电力有了更深入的理解，人们发现旋转磁铁可以在电线中感应出交流电流（AC），随之而来就打开了发电的世界。 交流电适用于照明、加热和驱动电机，并且通过使用变压器，其电压可以升高和降低。
后来DC开始得到一些应用。与AC不同的是，DC的电荷可以存储在电池或电容器中。例如，曾经用这些储存的电荷为第一部电话供电，后来的电话设计才可以通过线路获取电力。如果您想要特定的直流电压，可以将电池串联起来。如果您确实需要高功率直流电，可以在其间使用具备机械传动装置的直流电动机－发电机组，从而可以产生不同的电压。
随着新电子产品的不断出现，需要不同的直流电平，例如真空管的150V，工程师们也开始考虑如何能够上下转换直流电压，DC－DC转换器的概念由此诞生。
当今的DC－DC转换器
当今的DC－DC转换器应用分为不同类别：隔离式和非隔离式，升压和降压型或兼而有之的升降压型。市场也可提供具备特定功率水平和功能的模块，其中许多已成为一般“商用”部件。
让我们首先定义“隔离”的含义：如果在输入和输出之间存在电气连接（通常是接地），则该部件是非隔离式。隔离部件有一个内部变压器，在输入和输出之间以磁性方式传递能量，因此输出可以相对于输入“浮动”（见图1）。我们稍后会考虑隔离等级。
图1：DC－DC转换器可以是隔离式或非隔离式。
非隔离式DC－DC转换器
最简单的非隔离式DC－DC转换器是一系列串联电阻器，但由于电压降会随着负载电流而变化，因此实际电路使用晶体管来降低电压，由反馈电路控制以保持该电压恒定。这是一种“线性”稳压器，通常采用三引脚TO－220封装供货。但问题是其中的电压只能降低而不能升高，并且器件本身也消耗大量功率，大小为输入和输出电压的差值乘以负载电流。解决上述问题的方案是“开关模式”稳压器，其晶体管完全开启或关闭，在两种情况下都消耗很少的功率，流经电感器和电容器后将电压脉冲传递到输出，之后脉冲被“平滑”回到DC，通过改变脉冲宽度来控制输出电压。开关模式稳压器与线性电路相比其效率有显著提升（图2），开关模式稳压器的一个很好特性是也可以配置为升高电压，成为“升压”转换器。当它只用于降低电压时，就是一个“降压”转换器。
图2：线性和开关模式损耗比较。
还有其他种类的稳压器，如可以产生负输出电压（降压升压）和可以产生高于或低于正输入电压输出的“SEPIC”电路。这在电池供电应用中非常有用，其中的负载电压在电池放电时需要保持恒定（图3）。
图3：SEPIC转换器介绍。
在许多电路中，以最小尺寸实现最高效率是产品开发的关键考虑因素，对于DC－DC转换器至关重要。在增大开关模式转换器的脉冲频率时，可以使用较小体积的电感器和电容器。然而，另一个影响因素是晶体管在每个开关边缘都会耗散一些功率，每秒开关边缘（频率）越多，耗散的功率就越多。因此，效率和尺寸往往是对立的。磁学技术最近在这些方面几乎没有改进，但是最新的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙半导体技术可是使每个开关边缘的损耗更小，因此可以采用更高频率，体积更小的磁性元件。这项技术使非隔离式DC－DC转换器具有高于95％的效率，输出电流可达100A甚至更高。例如，德州仪器（TI）的PTH04040W额定电流为60A，其输出为0．8V～2．5V可调，输入电压为2．95V～5．5V，封装尺寸仅为51．94 x 26．54mm。
模块化升压转换器不太常见，这里的一个例子是来自GE Critical Power的ABXS002A3X41－SRZ，它能够将8～16V输入转换为16～34V输出，输出电流为2．3A，模块尺寸为27．9 x 11．4mm。
非隔离式DC－DC转换器通常被称为“负载点（PoL）”转换器，因为它们可以直接用于处理器或FPGA的典型负载上，以便使负载电压尽可能精确。最复杂的类型具有数字控制等许多特性，因此性能可以“运行中（on the fly）”调整，以适应负载条件变化，通常可使用标准协议（如PMBusTM）的I2C线路进行设置。电压稳压器模块（VRM）是一种能够满足IC制造商特定要求的特殊类型PoL，例如来自Intel的类似产品。
