本文探讨了功率转换的基本概念，并介绍了分立式和模块化设计中最常用的拓扑结构。此外，本文还阐述了隔离和电压调节的基本原理。.
电源转换无处不在。
几乎所有你使用的技术设备都离不开电源转换。以你的手机为例，它很可能配备了一块标称输出电压为 3.7V 的锂电池。手机内部的众多集成电路及其相关应用可能工作在不同的电压水平，最常见的是 1.8V、3.3V 或 5.0V。电源转换应用会将 3.7V 的电压转换成合适的电压，高于或低于电池的标称输出电压。
另一个类似的例子是简单却流行的便携式 USB 充电器，它可以帮助我们随时随地为电子设备充电。它也使用一块提供 3.7V 电压的锂电池，并通过一个 DC/DC 转换器将输出电压升压，从而提供标准的 5V USB 输出。
你的扬声器、电视、笔记本电脑和智能家电都会将电源电压转换成适合其内部电路的电压。AC
/DC 和 DC/DC 转换方法主要包括两种不同的技术：线性转换和开关转换。线性稳压器曾广泛应用于电网供电的设备中，但它需要变压器和大容量滤波电容等体积庞大的元件。虽然线性稳压器仍然用于一些特殊的直流/直流转换应用中，但如今大多数应用都采用开关稳压器。
开关式DC/DC转换方法基于在电感器或电容器中存储能量。与线性方法不同，开关稳压器提供的输出电压可以高于或低于输入电压。图1展示了开关式DC/DC转换器的基本概念。
图1：DC/DC转换器的功能框图（来源：村田制作所）
PWM信号作为开关驱动施加到半导体器件上。PWM输入的占空比（占空比）和频率直接影响转换效率、负载调整率和输出电压。本质上，PWM和开关半导体构成一个电荷泵电路，在导通周期内将能量存储在电感器或电容器中。在PWM信号的关断周期内，该能量被释放并整流。输出电压调节应用于PWM信号。输入输出隔离通过变压器（作为电感元件）和电容器实现。
多年来，多种DC/DC转换器架构或拓扑结构已变得流行，我们将简要介绍这些架构或拓扑结构。
最常见的DC/DC转换器拓扑结构
降压转换器（或称降压电路）
异步降压转换器拓扑结构将输入电压转换为较低的输出电压（例如，5VDC 转换为 3.3VDC）。图 2 显示了该电路的简要说明。
图2：降压转换器的主要功能（来源：村田制作所）
在图 2 中，SW1 通常是一个由 PWM 信号驱动的晶体管，SW2 是一个二极管。当 SW1 闭合（导通）时，电流流过电感器并储存能量。当 SW1 断开时，电流流过二极管（由 SW2 表示），能量被释放，从而产生输出电压。
如图 3 所示，降压转换器的输出电压取决于开关 PWM 信号的占空比。
图 3：占空比对输出电压的影响（来源：村田）
在同步降压转换器拓扑结构中，二极管被另一个开关元件（通常是场效应晶体管，FET）所取代。它由反相开关信号驱动。FET 通常具有较低的正向偏置电阻，从而降低损耗。
升压转换器（或升压转换器）：
顾名思义，升压转换器的输出电压高于输入电压。升压幅度取决于多种因素，但对于大多数实际应用，最大可达输入电压的五倍。为了获得良好的输出电压调节，三倍以内更为可行。参见图 4。 
图 4：升压转换器的基本概念（来源：村田制作所）。
与图 2 中的降压转换器结构相比，开关晶体管 S1、电感 L1 和二极管 D1（在图 1 中为开关）的位置略有不同。当 S1 导通时，能量存储在 L1 中；当 S1 截止时，能量被添加到流经输入电容并最终到达输出电容的输入电压中。
升压和降压转换器使用的元件数量极少，这种设计使其能够实现高能量效率，通常可达 97%。
降压和升压转换器拓扑结构均不具备隔离性。这意味着任何输入电压都可能出现在输出端。如果直流/直流转换器由交流电源供电，则故障可能导致交流线路电压出现在输出端，从而造成潜在的致命后果。许多应用需要输入和输出之间进行电气隔离，例如医疗保健应用。例如，当开关稳压器的接地连接不共地时，实现电气隔离的一种方法是使用变压器。隔离式反向转换器（参见图 5）就是一个例子。.
图5：隔离式反向转换器的简化示意图（来源：维基百科）
隔离式反向转换器
中，变压器既是储能电感，又提供隔离功能。这种拓扑结构可能是所有DC/DC转换器中最简单的，因为它使用的元件很少。其应用通常仅限于低功率应用（
推挽式、半桥式和全桥式变换器
是目前常用的其他隔离式开关拓扑结构的例子。推挽式结构使用两个共享电流的开关器件，适用于高功率应用。这种拓扑结构采用中心抽头式分体初级绕组和次级绕组，因此需要更昂贵的变压器。半桥式和全桥式拓扑结构与推挽式类似，但只需要一个初级绕组。半桥式使用两个开关器件，全桥式使用四个开关器件。（参见图 6。）
图 6：隔离式全桥 DC/DC 转换器的简化示意图
输出调节：
除了基于特定拓扑结构设计DC/DC转换器之外，如何调节输出电压也是一个重要问题。在任何负载条件下精确调节输出电压对于具有快速变化动态工作负载的处理器尤为重要。输出电压必须快速准确地反馈到PWM开关功能，以实现占空比的改变。目前，大多数DC/DC转换器控制IC都包含此功能，这在非隔离拓扑结构中很容易实现。
然而，保持输入到输出的隔离需要额外的元件，从而增加物料清单成本。常见的隔离反馈方法包括使用额外的变压器或光耦合器。对额外元件的需求不仅增加了物料清单成本，还增加了印刷电路板的空间占用。在当今空间受限的设计中，必须尽可能减少印刷电路板的空间占用。除了考虑物料清单成本之外，还必须记住，设计中使用的元件越多，物流和元件供应方面的挑战就越复杂。使用更多的元件也会对最终产品的可靠性产生负面影响。
DC/DC转换器IC和模块：
一种最新的创新解决方案采用初级侧检测，提供了一种更为简便的稳压方法。在反激式转换器的“关断”阶段，驱动IC检测经变压器反射的次级输出。Maxim MAX17687就是一个“无光耦”反激式驱动IC的例子：参见图7。
图7：一个使用极少量元件的无光耦反激式转换器IC示例，可将16A 60V电源转换为12V/750mA输出。Maxim MAX17687（来源：Maxim）
MAX17687驱动器包含两个片上MOSFET，能够驱动最大3.2A的初级电流。采用初级侧检测，输出电压可在±1.2%的范围内调节。该IC的PWM频率可在100至500kHz之间编程，转换效率通常高于90%。Murata
UWS-Q12系列就是一个完整的DC/DC反向转换器模块的例子，它是一款采用通孔技术组装的开放式绝缘模块。
这些模块为分立式DC/DC转换器设计提供了一种极具吸引力的替代方案。首先，它们显著简化了设计开发流程，从而大幅缩短了工程时间。其次，从物料清单的角度来看，它们也具有优势，可以减少元件数量并简化物流。此外，这些模块通常已经通过了EMC/EMI法规和健康安全标准的认证，这进一步简化了产品审批流程。
UWS-Q12 系列是一款紧凑型电源，效率高达 91%，提供 3.3V、5V、12V、15V 或 24V 的常用单路输出标称电压，输入电压范围为 9V 至 36V，最大输出功率可达 54 瓦。它还具备全面的自我保护功能，例如低输入电压保护和过温保护。 
图 8：村田 UWS-Q12（来源：村田）
Traco TSR 1.5E 系列是低效老式线性稳压器的理想替代品。这款 1.5A 即插即用器件采用非隔离式降压拓扑结构，效率高达 97%，并可适应宽输入电压范围。该系列器件提供 3.3V 直流输出（替代部件号 7803）、5V 直流输出（替代部件号 7805）和 12V 直流输出（替代部件号 7812）。德州仪器
(TI) 对其降压转换器拓扑结构进行了改进，采用了 DCS（直接控制平滑过渡）控制技术。与同步降压转换器相比，改进后的 DCS 拓扑结构在瞬态响应、稳压性能和纹波特性方面均有显著提升。TI 提供两种转换器产品：驱动 IC TPS6282x 和集成电感器的转换器模块。图 9 显示了集成 FET 和电感器的非隔离式降压转换器模块的功能框图。
图 9：TI TPSM82821 降压转换器模块与 TPS6282x 控制器 IC 的功能框图（来源：TI）
简化能量转换：
本文探讨了一些最常见的直流/直流能量转换拓扑结构，并重点介绍了一些示例产品。转换器集成电路（IC）是一种广泛应用的直流/直流转换方法，在空间和物料成本方面都非常高效。集成开关晶体管或场效应晶体管（FET）的低功耗转换器IC在许多工业、商业和消费产品中都非常流行。包含驱动IC、电感器和所有其他组件的直流/直流转换器模块最易于集成到最终产品中，并且易于获取。
作者：Mark Patrick， 贸泽电子公司
www.mouser.com
