DC-DC 转换器电路背后的技术

　　DC-DC转换器旨在改变直流电源的电压。开关 DC-DC 转换器具有出色的转换效率，有助于电子设备的节能、小型化和轻量化。手机等便携式设备变得越来越复杂，并配备了许多小型 DC-DC 转换器来驱动其电路。

　　电源随着电子设备的进步而多样化

　　如前一篇文章所述，直流电压转换可以使用基于线性方法的组件（如三端 IC）来实现，但开关方法在 DC-DC 转换器中占主导地位。线性方法将一部分电能作为热量丢弃以获得所需的电压。同时，开关方法使用半导体元件将直流输入细分为脉冲电流，并将它们重新组合以产生所需的电压。线性方法类似于从原木上切割一块木板，这不可避免地会产生大量浪费的废木料——而切换方法类似于将木屑连接在一起，实现更灵活的尺寸，同时减少整体材料消耗。这就解释了为什么线性方法的转换效率最多为 70%，更典型地为 30% 到 50% 左右，

　　封装的开关电源将 AC-DC 整流器和 DC-DC 转换器组合在一个单元中，以提供单个或多个电压的 DC 输出。随着电子设备的多功能化和数字化，在一个设备中安装了多个 DC-DC 转换器，以提供大量的 DC 电压（12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.3V、1.0V、0.8V、等）到各种电路单独。如今，许多小型 DC-DC 转换器分布在 IC 附近，以提高效率并降低噪声。随着电子设备的进步，电源已经变得非常多样化。特别是，DC-DC 转换器代表了电力电子领域的大量产品。即使是粗略的分类也会涉及多种类型——如果没有以良好的指导方式进行研究，很快就会导致混乱。

　　我们首先讨论降压和升压 DC-DC 转换器的基本原理。如下图所示，如果连接到电池的灯快速且反复地开关，它看起来会变暗。这是因为我们实际上感知的是闪光灯的平均亮度，相当于一个电压降。因此，可以通过调整开关周期的时间来控制电压。尽管是一种简化的解释，但这就是 DC-DC 转换器中电压转换的原理。晶体管和 MOSFET 等半导体元件用于打开和关闭电流。

　　扼流圈在斩波器方法中起着至关重要的作用

　　最简单的 DC-DC 转换器基于斩波器方法。该名称源自通过连续切换来“斩断”电流以转换电压的行为。线圈在斩波器方法中起着至关重要的作用。每次半导体元件打开和关闭时，电流都会突然变化，但线圈会产生电动势（电压），通过感应电流来阻止变化（这就是楞次定律）。利用此特性的线圈称为扼流圈，因为它对交流电具有“扼流”效应。基于斩波器的 DC-DC 转换器是一个简单的电路，它结合了开关元件、扼流圈、电容器和二极管，以降低或升高直流电压。

　　下面显示的是基本降压转换器（也称为降压转换器）和基本升压转换器（也称为升压转换器）的电路图——它们都是基于斩波器的 DC-DC 转换器。理解这些电路的关键是开关元件（图中的晶体管）、扼流圈和二极管的各自位置。扼流圈在电流打开时储存能量并流入其中，并在电流关闭时释放能量，从而产生对抗电流变化的电流。虽然图中没有明确显示，但晶体管的基极端子连接到控制电路，由它产生的方波调节开关动作（由方波的高低电压触发）。电流开启的时间越长，输出电压越高，反之亦然——因此，通过控制开关持续时间（称为占空比），可以获得任意输出电压（这种方法称为脉冲宽度控制或 PWM）。控制电路虽然复杂，但由于是IC的形式，占用空间不大。电容器（特别是电解电容器）和扼流圈占据了电路板上的大部分物理空间。

　　至于基于斩波器的DC-DC转换器，除了上面提到的两种之外，还有另一种类型：一种可以降压和升压的，称为升降压转换器。在这种类型中，二极管的方向与降压转换器的方向相反；它也被称为反相型，因为输出的极性是相反的。

　　基于变压器的隔离式 DC-DC 转换器

　　基于斩波器的DC-DC转换器电路简单，因此被广泛用作小型车载DC-DC转换器。采用斩波方式的DC-DC转换器称为非隔离型，使用变压器（也称为开关变压器等）的称为隔离型。变压器由一个铁芯（由铁、铁氧体磁芯等制成）和绕在其上的初级和次级导线组成。当流过初级绕组线的电流发生变化时，楞次定律规定会产生反电动势（称为反电动势）。这会导致通过磁芯的磁通量发生变化，从而在次级绕线中产生（感应）电动势，从而产生电流。该现象基于与扼流圈相同的电磁感应原理。在窒息中，称为自感应；在变压器中，称为互感。正如斩波器方法将能量存储在扼流圈中一样，隔离式 DC-DC 转换器巧妙地利用存储在变压器中的能量来转换电压。“隔离”命名是指输入侧和输出侧被变压器电绝缘。这也有助于阻止传导噪声并防止触电。

　　隔离式 DC-DC 转换器有多种类型，但最基本的是反激式（单独激励）转换器和正激式（单端）转换器。它们的简化电路图如下所示（省略控制电路）。理解这些电路的关键是变压器。图中的点（●）表示绕线的起点；换句话说，它们表示由初级和次级缠绕导线产生的电动势（反电动势和感应电动势）的方向（极性）。

　　在隔离式 DC-DC 转换器中，极性很重要。楞次定律告诉我们，初级和次级绕线的电动势方向将与点（●）对齐。请注意，反激和正激转换器的点位置不同。

　　存在各种隔离式 DC-DC 转换器，从基本的反激式和正激式转换器到推挽式和半桥式转换器。这些类型将在下一篇文章中更详细地介绍，但从广义上讲，非隔离式 DC-DC 转换器（降压-升压型）是小容量的；隔离的单端反激（单独激励）转换器也是小容量的；正向转换器是中小容量。中到大容量、多元件隔离式 DC-DC 转换器的电路要复杂得多。DC-DC 转换器构成了一个技术深度的世界。在对更高效率、更小尺寸、更轻重量和更低噪声的不懈追求中，先进的电路技术不断涌入该领域。