AC/DCDC/DC转换器基础指南

Posted 2022-02-05 Zeal.Zhang

一、DC/DC转换器

何谓DC/DC转换器？

DC/DC转换器是一种将DC（直流）转换为DC（直流）的元件，具体是指利用DC（直流）转换电压的元件。IC等电子元件各自的工作电压范围不同，因此需要转换为相应的电压。

生成电压低于初始电压的转换器被称为"降压转换器"；生成电压高于初始电压的转换器被称为"升压转换器"。

名称说明

DC/DC转换器是指将直流转换为直流的装置的名称。它常被称为线性稳压器或开关稳压器等，以转换方式的名称命名。

降低电压的电源装置	降压转换器、Buck转换器、Step‒down转换器
提高电压的电源装置	升压转换器、Boost转换器、Step‒up转换器
升降电压的电源装置	升降压转换器、Buck-Boost转换器
生成负电压的电源装置	负电压转换器、反转转换器、逆变转换器

为何需要DC/DC转换器？

插入插座进行工作的电气产品需要使用将AC（交流）100V转换为DC（直流）的 “AC/DC转换器”。

这是因为大部分半导体部件只能在DC下工作。

整机电路板上搭载的IC等具有各自固有的工作电压范围，电压精度要求也不同。

通过电压不稳的电源等供电会导致误动作或特性劣化等异常。

因此，需使用 “DC/DC转换器” 转换为所需的电压并实现稳定化。

通过DC/DC转换器实现电压稳定的装置被称为电压稳压器。

二、电源IC种类

电源IC大致分为线性稳压器和开关稳压器两种。
作为其各自的输出形式，线性稳压器仅可降压输出比输入电压低的电压。
开关稳压器则具有自由度，输出形式包括以下4种：

・降压输出比输入电压低的电压
・升压输出比输入电压高的电压
・升降压输出恒定电压，与输入电压的高低无关
・从正电压反转输出负电压

而且，开关稳压器的整流方式有同步整流和非同步整流（二极管整流）。

【电源IC种类】

线性稳压器和开关稳压器

通过DC/DC转换器实现电压稳定的装置被称为电压稳压器。
按转换方式，电压稳压器分为线性稳压器和开关稳压器2种类型。

因工作时输入与输出的关系呈线型，故被称为"线性稳压器"。
因输入与输出间串联有控制元件，有时也被称为"串联稳压器"。

线性稳压器

通过控制元件降压，因此输入与输出的电压差（降压程度）越大损耗就越大，效率也越低。因此适用于小功率的电源。

优点	缺点
电路简单	效率低
外接部件少	发热大
噪音小	仅降压型转换器

开关稳压器

接通开关元件（MOSFET），从输入端向输出端供电，直至输出电压达到所需电压。
输出电压达到规定值后，开关元件即关闭，不再消耗输入功率。
通过高速重复这一动作，将输出电压调节到规定值。

优点	缺点
效率高	外置部件多
发热小	设计困难
可实现升压/降压/负电压的转换	噪音大

线性稳压器的工作原理

一般的引脚构成：线性稳压器基本上由VIN （输入）、VO （输出）、GND （接地）三个引脚构成。
在输出可变的线性稳压器上添加了用于反馈输出电压的FB（反馈引脚）。
简单来说，电压固定型是内置了电压可变型的外接电阻的稳压器。

线性稳压器的内部电路概要如下图所示。

其工作原理与反相放大电路相同，误差放大器的非反相引脚（FB）电压与基准电压 (VREF) 相同，因此输出电压值（VO）由两个电阻（R1和R2）的阻值比决定。

Vo=[ (R1+R2) / R2 ] x VREF

下图的输出晶体管为MOSFET，不过也有使用双极晶体管的产品。

线性稳压器的分类

线性稳压器按功能进行分类时，首先可分为正电压用和负电压用两种。
根据使用电路不同，也有不需要正电源，而需要负电源的产品。
若只有正侧电源，则不能处理接地电位以下的电压，不能将晶体管的输出引脚的电压分配至负电平。将控制晶体管装入负输出线，从而产生负电压。

【按功能分类】

其次，还可分为电压固定型和电压可变型两种。固定型由输入、输出、GND三个引脚构成，内置有输出电压设定用电阻。
可变型为GND基准型时，添加反馈引脚变成四个引脚。可变型中也有无GND引脚的浮动工作型，这种情况为三个引脚。

电压固定型和电压可变型之后还可分为标准型和LDO两种。
LDO是Low Dropout的缩写，是降低了输入输出间电位差的线性稳压器。
标准型的输入输出间电位差最低也有约2V，而LDO可控制在1V以下。

何谓LDO？

LDO即使较低的输入输出间电位差也可进行工作的线性稳压器。有时也称为低损耗型线性稳压器或低饱和型线性稳压器。
关于LDO的输入输出间电位差并无数值性的定义，一般是指稳压器稳定工作时最低电位差可控制在1V以下的稳压器。
例如，对于需要3.3V电源的IC，由于标准型不可制作5V到3.3V电源，因此，需要输入输出间电位差较低的LDO。
这样，LDO在输出与标准型稳压器相同的电压时，也可设定较低的输入电压。
通过低电位差工作，可使能量损耗较少，可进行抑制散热等设计。

在线性稳压器的内部，从VIN到VO间加入了晶体管，使此晶体管稳定工作所需的输入输出间最低电位差称为压降。
输入输出间电压差低于压降时，晶体管难以维持稳定的工作，输出电压会降低。

这样，为了使含有LDO的线性稳压器工作，设定了所需的最低输入电压值，此时(VO + 压降) 即为稳压器的最低工作电压值。
输入电压值 (VIN)低于最低工作电压时，输出电压不能稳定工作。

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