DC转换器的优势和拓扑结构

第第页小功率DC/DC转换器的优势和拓扑结构小功率（DC/DC）（转换器）的优势

经过五十多年的历史发展，在（电子）电路中将直流电压转换成另一种直流电压显示，其复杂性不断提高，现代设计的功率密度高到令人难以置信的同时还要提升效率以保持小功率。（RECOM）现有许多创新设计，在小封装的低功率转换器上应用了大功率（电源）的设计技术。

第一种（DC）/DC转换解决方案都是低噪声线性设计，容易使用但有两个主要缺点。首先，输出电压必须都要低于输入电压;（线性稳压器）的效率非常低，以热量的形式耗散大部分所提供的功率。其次，根据输入和输出之间的电压差，线性稳压器的效率可能只有60%或者更低。

DC/DC开关转换器的发明解决了这两个问题，但需要更加复杂的设计方法。与线性设计相比，开关转换器利用电感和（电容）组件的储能特性以分立器件封装形式传输功率。功率脉冲存储在（电感器）的磁场或（电容器）的电场之中。

（开关控制）器确保每个开关周期仅传输负载所需的功率，因此该拓扑非常高效。好的设计可以实现97%或更高的效率。开关DC/DC转换器的简化框图如图1所示。

图1：（开关稳压器）简化框图

图1中的开关功能由功率晶体管负责执行，功率晶体管按受控顺序在高效的「开」和「关」状态之间交替。这与线性设计中的连续操作形成对比。DC/DC开关转换器可以产生高于或低于输入的输出(升压或降压)或将输入电压反向后输出。

输出可以是稳压或非稳压的。非稳压转换器的输出电压随负载（电流）或输入电压的变化而变化。若是稳压设计，反馈控制回路(虚线)将输出电压反馈到开关块;这会改变开关操作以补偿输出电压偏差，无论这些偏差是由输入电压变化(例如电池缓慢耗尽)还是负载变化引起的。

最简单的开关拓扑在输入和输出之间共享一条公共接地电流路径，因此是非隔离的，其中电感组件是电感器。隔离转换器在输入和输出之间有电流隔离，通过变压器相互（耦合）绕组产生的电磁场传输功率。由于输出与输入电隔离，因此输入电压是否与输出电压极性相同都没有关系。在线性设计中，接地返回电流直接在输入到输出之间流动，因此无法隔离，而且只需要三个引脚：Vin、公共接地和Vout。

低功率DC/DC转换器拓扑

更好的性能与更高的成本、更多的复杂性和更大的占位面积密切相关，这几乎是电源设计的事实。小型DC/DC转换器用户非常看重封装和性价比，那么RECOM要如何满足他们对小功率隔离DC/DC（产品）的要求呢?

推挽式拓扑广泛用在隔离DC/DC转换器。这是一种能够生成更高、更低或反相电压的低成本方式，因为变压器匝数比决定了输出电压。此拓扑结构简单、效率合理且电磁辐射也相对较低。

图2：非稳压输出的推挽式DC/DC转换器

图2为非稳压输出的推挽式隔离DC/DC转换器框图。为了节省空间，（振荡器）和驱动（晶体管）可以组合在一个专用的推挽式变压器（驱动器）（IC）之中。

对于稳压输出，最简单的方法是在次级侧添加一个与+Vout线路串联的线性稳压器，如图3所示。这种方法可以达到预期的目标，同时也适合用来设计极低功率的DC/DC。以RECOMRY/P系列为例，此系列的线性稳压器提供短路保护和低噪声的稳压输出。

图3：稳压输出的推挽式DC/DC转换器

这类型的设计可以实现大约65-75%的效率。功率大于1W或2W的时候将效率最大化是首要任务，设计需要进一步的改进，因此要从次级侧调节转为初级侧调节。为了代替线性稳压器，输出电压是在次级侧监控，并与目标电压进行比较生成电压差，然后将其发送回初级侧振荡器（控制器）。这会调整开关频率以将误差归零。

由于这是一个隔离设计，因此误差（信号）也必须隔离。图4为RECOM在额定功率3W以上的稳压转换器使用了这种方法，可将效率提升至85%左右。

图4：次级侧误差信号向初级侧控制器提供反馈

输出功率更高的DC/DC转换器需要更复杂的方法处理。不仅线性稳压器以上述的方式浪费功率，两个次级侧（二极管）也是损耗的原因。功率二极管的正向压降通常为0.5V，这意味着1A的功率损耗为0.5W。

解决方案是由两个FET场效应管和一个控制器组成的（同步整流）器来代替二极管和线性稳压器。

图5：无源整流(左)与同步整流(右)

图5对比了这两种方法。FET在周期的正向部分开启并在周期的反向部分关闭来充当整流器。快速的开关加上约10mΩ的极低导通电阻RDS(ON)使FET成为理想的整流器。缺点是它们必须有源驱动，因此需要额外的时序和（驱动电路）来（检测）内部电压并正确地打开和关闭两个FET以跟输出波形同步。二极管是无源器件，不需要额外的电路即可运作，但同步整流带来的更高效率足以抵消为了追求高输出电流转换器而提高的成本复杂性。

图6：RP20采用多种设计技术提高效率

RECOM的RP20系列20WDC/DC转换器使用同步整流器，效率高达89%。该设计还包括前述的隔离误差信号。最后，图6的RP20可在很宽的负载范围内实现85%-89%的效率。

结论