小功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過五十多年的歷史發(fā)展，在電子電路中將直流電壓轉(zhuǎn)換成另一種直流電壓顯示，其復(fù)雜性不斷提高，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的功率密度高到令人難以置信的同時(shí)還要提升效率以保持小功率。RECOM 現(xiàn)有許多創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在小封裝的低功率轉(zhuǎn)換器上應(yīng)用了大功率電源的設(shè)計(jì)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(jì)，容易使用但有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。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(gè)問題，但需要更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法。與線性設(shè)計(jì)相比，開關(guān)轉(zhuǎn)換器利用電感和電容組件的儲(chǔ)能特性以分立器件封裝形式傳輸功率。功率脈沖存儲(chǔ)在電感器的磁場(chǎng)或電容器的電場(chǎng)之中。

開關(guān)控制器確保每個(gè)開關(guān)周期僅傳輸負(fù)載所需的功率，因此該拓?fù)浞浅８咝?。好的設(shè)計(jì)可以實(shí)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 1 所示。

圖 1：開關(guān)穩(wěn)壓器簡化框圖

圖 1 中的開關(guān)功能由功率晶體管負(fù)責(zé)執(zhí)行，功率晶體管按受控順序在高效的「開」和「關(guān)」?fàn)顟B(tài)之間交替。這與線性設(shè)計(jì)中的連續(xù)操作形成對(duì)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(fù)載電流或輸入電壓的變化而變化。若是穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，反饋控制回路（虛線）將輸出電壓反饋到開關(guān)塊；這會(huì)改變開關(guān)操作以補(bǔ)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(fù)載變化引起的。

最簡單的開關(guān)拓?fù)湓谳斎牒洼敵鲋g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(chǎng)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(jì)中，接地返回電流直接在輸入到輸出之間流動(dòng)，因此無法隔離，而且只需要三個(gè)引腳：Vin、公共接地和 Vout。

低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

更好的性能與更高的成本、更多的復(fù)雜性和更大的占位面積密切相關(guān)，這幾乎是電源設(shè)計(jì)的事實(shí)。小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器用戶非?？粗胤庋b和性價(jià)比，那么RECOM 要如何滿足他們對(duì)小功率隔離 DC/DC 產(chǎn)品的要求呢？

推挽式拓?fù)鋸V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?yàn)樽儔浩髟褦?shù)比決定了輸出電壓。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、效率合理且電磁輻射也相對(duì)較低。

圖 2：非穩(wěn)壓輸出的推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

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(dòng)晶體管可以組合在一個(gè)專用的推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器 IC 之中。

對(duì)于穩(wěn)壓輸出，最簡單的方法是在次級(jí)側(cè)添加一個(gè)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(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，同時(shí)也適合用來設(shè)計(jì)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(hù)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

這類型的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)大約 65-75% 的效率。功率大于 1W 或 2W 的時(shí)候?qū)⑿首畲蠡鞘滓蝿?wù)，設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步的改進(jìn)，因此要從次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)。為了代替線性穩(wěn)壓器，輸出電壓是在次級(jí)側(cè)監(jiān)控，并與目標(biāo)電壓進(jìn)行比較生成電壓差，然后將其發(fā)送回初級(jí)側(cè)振蕩器控制器。這會(huì)調(diào)整開關(guān)頻率以將誤差歸零。
由于這是一個(gè)隔離設(shè)計(jì)，因此誤差信號(hào)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(jí)側(cè)誤差信號(hào)向初級(jí)側(cè)控制器提供反饋

輸出功率更高的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要更復(fù)雜的方法處理。不僅線性穩(wěn)壓器以上述的方式浪費(fèi)功率，兩個(gè)次級(jí)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(gè) FET 場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)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)

圖 5 對(duì)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(dāng)整流器。快速的開關(guān)加上約10mΩ 的極低導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 使 FET 成為理想的整流器。缺點(diǎn)是它們必須有源驅(qū)動(dòng)，因此需要額外的時(shí)序和驅(qū)動(dòng)電路來檢測(cè)內(nèi)部電壓并正確地打開和關(guān)閉兩個(gè) 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(yùn)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(fù)雜性。

圖 6：RP20采用多種設(shè)計(jì)技術(shù)提高效率

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

結(jié)論

從大功率電源設(shè)計(jì)思路借鑒在極小功率的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器上，以達(dá)到更高的效率。隨著客戶對(duì)功率水平要求的增加，我們就必須進(jìn)行適當(dāng)改變，從而改變需求的優(yōu)先順序。RECOM 是行業(yè)中提供成本優(yōu)勢(shì)和封裝尺寸最佳組合設(shè)計(jì)的引領(lǐng)者。

審核編輯：劉清