在電子電路中將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓，五十多年的歷史顯示復雜性不斷提高，現(xiàn)代設(shè)計的功率密度高到令人難以置信同時還要相應地提升效率以保持小功率。RECOM 現(xiàn)在有許多創(chuàng)新的設(shè)計，在小封裝的低功率轉(zhuǎn)換器上應用了大功率電源的設(shè)計技術(shù)。

第一種 DC/DC 轉(zhuǎn)換解決方案都是低噪聲線性設(shè)計，容易使用但有兩個主要缺點。首先，輸出電壓必須都要低于輸入電壓；線性穩(wěn)壓器的效率非常低，以熱量的形式耗散大部分所提供的功率。其次，根據(jù)輸入和輸出之間的電壓差，線性穩(wěn)壓器的效率可能只有 60% 或者更低。

DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的發(fā)明解決了這兩個問題，但需要更加復雜的設(shè)計方法。與線性設(shè)計相比，開關(guān)轉(zhuǎn)換器利用電感和電容組件的儲能特性以分立器件封裝形式傳輸功率。功率脈沖存儲在電感器的磁場或電容器的電場之中。

開關(guān)控制器確保每個開關(guān)周期僅傳輸負載所需的功率，因此該拓撲非常高效。最好的設(shè)計可以實現(xiàn) 97% 或更高的效率。開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的簡化框圖如圖一所示。

圖 1：開關(guān)穩(wěn)壓器簡化框圖（來源：RECOM）

圖 1 中的開關(guān)功能由功率晶體管負責執(zhí)行，功率晶體管按受控順序在高效的「開」和「關(guān)」狀態(tài)之間交替。這與線性設(shè)計中的連續(xù)操作形成對比。DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生高于或低于輸入的輸出（升壓或降壓）或?qū)⑤斎腚妷悍聪蚝筝敵觥?/p>

輸出可以是穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的。非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨負載電流或輸入電壓的變化而大幅變化。若是穩(wěn)壓設(shè)計，反饋控制回路（虛線）將輸出電壓反饋到開關(guān)塊；這會改變開關(guān)操作以補償輸出電壓偏差，無論這些偏差是由輸入電壓的變化（例如電池緩慢耗盡）還是負載的變化引起的。

最簡單的開關(guān)拓撲在輸入和輸出之間共享一條公共接地電流路徑，因此是非隔離的，其中電感組件是電感器。隔離轉(zhuǎn)換器在輸入和輸出之間有電流隔離，通過變壓器相互耦合繞組產(chǎn)生的電磁場傳輸功率。由于輸出與輸入電隔離，因此輸入電壓是否與輸出電壓極性相同都沒有關(guān)系。在線性設(shè)計中，接地返回電流直接在輸入到輸出之間流動因此無法隔離，而且只需要三個引腳：Vin、公共接地和 Vout。

低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲

更好的性能與更高的成本、更多的復雜性和更大的占位面積密切相關(guān)，這幾乎是電源設(shè)計的事實。小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的用戶非常看重封裝和性價比，那么RECOM 要如何滿足他們對小功率隔離 DC/DC 產(chǎn)品的要求呢？

推挽式拓撲廣泛用在隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這是一種能夠生成更高、更低或反相電壓的低成本方式，因為變壓器匝數(shù)比決定了輸出電壓。此拓撲結(jié)構(gòu)簡單、效率合理且電磁輻射也相對較低。

圖 2：非穩(wěn)壓輸出的推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（來源：RECOM）

圖 2 為非穩(wěn)壓輸出的推挽式隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器框圖。為了節(jié)省空間，振蕩器和驅(qū)動晶體管可以組合在一個專用的推挽式變壓器驅(qū)動器 IC 之中。

對于穩(wěn)壓輸出，最簡單的方法是在次級側(cè)添加一個與 +Vout 線路串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器，如圖 3 所示。這種方法可以達到預期的目標，同時也適合用來設(shè)計極低功率的 DC/DC。以 RECOM RY/P 系列為例，此系列的線性穩(wěn)壓器提供短路保護和低噪聲的穩(wěn)壓輸出。

圖 3：穩(wěn)壓輸出的推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（來源：RECOM）

這類型的設(shè)計可以實現(xiàn)大約 65-75% 的效率。功率大于 1W 或 2W 的時候?qū)⑿首畲蠡鞘滓蝿?wù)，設(shè)計需要進一步的改進，因此要從次級側(cè)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為初級側(cè)調(diào)節(jié)。為了代替線性穩(wěn)壓器，輸出電壓是在次級側(cè)監(jiān)控，并與目標電壓進行比較生成電壓差，然后將其發(fā)送回初級側(cè)振蕩器控制器。這會調(diào)整開關(guān)頻率以將誤差歸零。由于這是一個隔離設(shè)計，因此誤差信號也必須隔離。圖 4 為 RECOM 在額定功率 3W 以上的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器使用了這種方法，可將效率提升至 85% 左右。

圖 4：次級側(cè)誤差信號向初級側(cè)控制器提供反饋（來源：RECOM）

輸出功率更高的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要更復雜的方法處理。不僅線性穩(wěn)壓器以上述的方式浪費功率，兩個次級側(cè)二極管也是損耗的原因。功率二極管的正向壓降通常為 0.5V，這意味著 1A 的功率損耗為 0.5W。

解決方案是由兩個 FET 場效應管和一個控制器組成的同步整流器來代替二極管和線性穩(wěn)壓器。

圖 5：無源整流（左）與同步整流（右）（來源：RECOM）

圖 5 對比了這兩種方法。FET 在周期的正向部分開啟并在周期的反向部分關(guān)閉來充當整流器?？焖俚拈_關(guān)加上約 10mΩ 的極低導通電阻 RDS(ON) 使 FET 成為理想的整流器。缺點是它們必須有源驅(qū)動，因此需要額外的時序和驅(qū)動電路來檢測內(nèi)部電壓并正確地打開和關(guān)閉兩個 FET 以跟輸出波形同步。二極管是無源器件，不需要額外的電路即可運作，但同步整流帶來的更高效率足以抵消為了追求高輸出電流轉(zhuǎn)換器而提高的成本復雜性。

圖 6：RP20 采用多種設(shè)計技術(shù)提高效率（來源：RECOM）

RECOM 的 RP20 系列 20W DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用同步整流器，效率高達 89%。該設(shè)計還包括前述的隔離誤差信號。最后，圖 6 的 RP20 可在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn) 85-89% 的效率。

結(jié)論

從大功率電源設(shè)計借鑒的設(shè)計技術(shù)正運用在極小功率的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以達到更高的效率。由于客戶隨著功率水平的增加而改變需求的優(yōu)先順序，因此必須進行適當?shù)母淖?。RECOM 則是提供成本優(yōu)勢和封裝尺寸最佳組合設(shè)計的引領(lǐng)者。