小功率DC/DC轉換器的優勢和拓撲結構

小功率 DC/DC 轉換器的優勢

經過五十多年的歷史發展，在電子電路中將直流電壓轉換成另一種直流電壓顯示，其復雜性不斷提高，現代設計的功率密度高到令人難以置信的同時還要提升效率以保持小功率。RECOM 現有許多創新設計，在小封裝的低功率轉換器上應用了大功率電源的設計技術。

第一種 DC/DC 轉換解決方案都是低噪聲線性設計，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，根據輸入和輸出之間的電壓差，線性穩壓器的效率可能只有 60% 或者更低。

DC/DC 開關轉換器的發明解決了這兩個問題，但需要更加復雜的設計方法。與線性設計相比，開關轉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。

開關控制器確保每個開關周期僅傳輸負載所需的功率，因此該拓撲非常高效。好的設計可以實現 97% 或更高的效率。開關 DC/DC 轉換器的簡化框圖如圖 1 所示。

圖 1：開關穩壓器簡化框圖

圖 1 中的開關功能由功率晶體管負責執行，功率晶體管按受控順序在高效的「開」和「關」狀態之間交替。這與線性設計中的連續操作形成對比。DC/DC 開關轉換器可以產生高于或低于輸入的輸出(升壓或降壓)或將輸入電壓反向后輸出。

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

最簡單的開關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系。在線性設計中，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，這幾乎是電源設計的事實。小型 DC/DC 轉換器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 產品的要求呢?

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

圖 2：非穩壓輸出的推挽式 DC/DC 轉換器

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

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

圖 3：穩壓輸出的推挽式 DC/DC 轉換器

這類型的設計可以實現大約 65-75% 的效率。功率大于 1W 或 2W 的時候將效率最大化是首要任務，設計需要進一步的改進，因此要從次級側調節轉為初級側調節。為了代替線性穩壓器，輸出電壓是在次級側監控，并與目標電壓進行比較生成電壓差，然后將其發送回初級側振蕩器控制器。這會調整開關頻率以將誤差歸零。

由于這是一個隔離設計，因此誤差信號也必須隔離。圖 4 為 RECOM 在額定功率 3W 以上的穩壓轉換器使用了這種方法，可將效率提升至 85% 左右。

圖 4：次級側誤差信號向初級側控制器提供反饋

輸出功率更高的 DC/DC 轉換器需要更復雜的方法處理。不僅線性穩壓器以上述的方式浪費功率，兩個次級側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壓器。

圖 5：無源整流(左)與同步整流(右)

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閉來充當整流器。快速的開關加上約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動，因此需要額外的時序和驅動電路來檢測內部電壓并正確地打開和關閉兩個 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換器而提高的成本復雜性。