DC/DC 轉(zhuǎn)換器是電子設(shè)計(jì)中常用的電源管理器件，主要用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓。《DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)與開發(fā)》系列分為五篇，將從原理到實(shí)踐為大家介紹 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)容包括其種類、選型、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和評估。本文為第一篇，將介紹 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的類型以及其中兩種類型轉(zhuǎn)換器的工作原理。

什么是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器？

DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種將直流電壓或者電流電平轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓或電流電平的電子設(shè)備。下圖 (圖1) 為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的原理圖，輸入電壓可以通過 DC/DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和輸出。此外，為了在電路板上安裝和使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可能需要 MOSFETs、電感器、二極管、電容器和電阻器等外圍元件。相關(guān)選型原則將在后續(xù)文章中詳細(xì)解析。

圖1 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的原理圖

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的類型

根據(jù)不同的工作原理和轉(zhuǎn)換方式，DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以分為降壓 (Buck）、升壓 (Boost) 和升降壓 (Buck-Boost) 等幾種類型。本文的電路設(shè)計(jì)主要使用了兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器——降壓型和升壓型，這兩種類型通常也稱為降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。兩者的區(qū)別顧名思義：將電壓降低到輸入電壓以下的 IC 是降壓型，而提高電壓的 IC 是升壓型。

開關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理

差異

雖然降壓型和升壓型都屬于開關(guān)穩(wěn)壓器，但由于電路結(jié)構(gòu)不同，其控制方法也存在差異。電路結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于電感器的位置：

降壓型電路中，電感位于開關(guān)元件 (如 MOSFET) 的前端，而升壓型電路中，電感則位于開關(guān)元件的后端。電感器具有傳導(dǎo)恒流的特性。當(dāng)電流流經(jīng)電感時(shí)，它會將電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲；當(dāng)電流中斷時(shí)，磁能又會重新轉(zhuǎn)化為電能釋放，以此保持電流連續(xù)性。開關(guān)穩(wěn)壓器正是利用這種“儲能-釋能”的交替過程，通過控制開關(guān)頻率和占空比來實(shí)現(xiàn)升壓或降壓功能。

工作原理

降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

開關(guān)穩(wěn)壓器的工作包括開關(guān)導(dǎo)通 (ON) 和關(guān)斷 (OFF) 兩種狀態(tài)。如下圖 (圖2)、(圖3) 所示，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通 (ON) 時(shí)，輸入電流通過開關(guān)流向電感器并儲存能量，此時(shí)電源直接為負(fù)載供電。在開關(guān)關(guān)斷 (OFF) 的狀態(tài)下，電源與電路斷開連接。在此過程中，電感器釋放儲存的能量，繼續(xù)維持負(fù)載電流。通過在這兩個(gè)動作之間交替切換，可以將輸入電壓降至任何電平和輸出。此外，輸出電壓通過輸出電容器進(jìn)行平滑處理，因此可以保持恒定電壓。

圖2 開關(guān)導(dǎo)通時(shí) 降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)

圖3 開關(guān)關(guān)斷時(shí) 降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)

升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

與降壓型一樣，升壓型以導(dǎo)通 (ON) 和關(guān)斷 (OFF) 兩種狀態(tài)工作。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流通過電感流向開關(guān)，能量存儲在電感中。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感器可以通過將儲存的能量與電源一起提供來產(chǎn)生高于輸入電壓的電壓，以試圖維持電流。 如上所述，升壓型在開關(guān) ON 和 OFF 狀態(tài)下，電源繼續(xù)向電感器供電，由于在 OFF 狀態(tài)下可以產(chǎn)生更高的電壓，因此可以將輸入電壓升壓到任意水平并輸出。

圖4 開關(guān)導(dǎo)通時(shí) 升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)

圖5 開關(guān)關(guān)斷時(shí) 升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)

這樣，同一開關(guān)穩(wěn)壓器根據(jù)電路配置 (尤其是電感和開關(guān)的位置) 以不同的方式工作。另外，一些開關(guān)穩(wěn)壓器包括可以同時(shí)執(zhí)行降壓和升壓性能的升降壓 IC，以及可以輸出負(fù)電壓的反相 IC。

總結(jié)

本文主要為大家介紹了DC/DC 轉(zhuǎn)換器的類型——降壓 (Buck）、升壓 (Boost) 和升降壓 (Buck-Boost）。另外還介紹了降壓型和升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的差異和工作原理。在下一篇文章中，我們將介紹關(guān)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和外圍元件的選型要點(diǎn)，幫助工程師避免常見的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。