今天給大家分享的是：DC-DC轉換器，主要是原理、分類，電路設計，實際電路案例。

一、什么是DC-DC轉換器及功能？

DC-DC轉換器是一種將直流電壓或者電流電平轉換為另一種直流電壓或電流電平的電子電路。大多數情況下，設備只使用一個電源。

如果不同的子電路需要不同的電壓才能正常工作，才需要將輸入電壓轉換為較低或者較高的電平，這個時候就可以通過DC-DC轉換器來完成了。

DC-DC轉換器除了轉換電壓，可以用來穩定電壓，不會讓電壓下降或者上升太多。例如：汽車DC-DC轉換器用途之一就是調節汽車交流發電機中的電壓波動。

DC-DC轉換器挨著電源

二、常見的DC-DC轉換器

1、線性DC-DC轉換器

線性轉換器通過阻性負載降低輸出電壓，在這里輸入和輸出連接一個晶體管。輸入電壓被晶體管兩端的電壓降低，從而導致輸出電壓下降。

線性DC-DC轉換器

線性DC-DC轉換器是最簡單的轉換器類型，這里的電壓通過放置在輸入和輸出之間的晶體管來降低。

線性DC-DC轉換器的電路簡單和便宜，但是也有許多缺點。只能用于降低電壓，此外，效率會隨著輸入和輸出電壓之差的增加而下降。

另一方面，未使用的功率會以熱量的形式耗散，如果輸入和輸出電壓差異很大，很容易就會過熱。

線性DC-DC用于需要高質量輸出電壓和低輸出電壓紋波的低功率設備和節點或者用于對電磁干擾敏感的設備。

線性轉換器通常用于音頻和視頻電子、通信設備、醫療和測量設備。

2、開關DC-DC轉換器

開關轉換器使用開關元件、通過電脈沖為存儲電容充電，然后，電壓通過電容進行平滑處理并傳輸至負載，輸出電壓電平由開關元件的占空比定義。

開關DC-DC轉換器

開關DC-DC轉換器由電源開關、導體線圈、二極管和存儲電容組成。元器件的數量及排列方式都會影響到轉換器的工作。

輸入電壓以脈沖形式施加，但是電容對其進行了平滑處理。與線性轉換器相比，開關轉換器的效率要高，可以達到85-90%。

因為效率比較高，也不會產生太多的熱量，可用于降低和增加輸出電壓，會產生更多的電磁噪聲并需要更多的組件，也會更貴。

DC轉換器應用實際案例：

下面為一個實際項目，需要為多個無線電發射器的設備中的多個子電路供電。

子電路需要5V，而輸入電壓為12V.最大電流達到2A。在這種情況下，使用線性轉換器是不太實際的，因為一半以上的能量會以熱量的形式耗散（全功率高達14W）。

安裝冷卻散熱器也不是一個好的選擇，因為外殼太小（10x10x1 厘米）。相反，使用TPS54335轉換器。

DC轉換器應用實例

當子電路所需的輸入電壓和輸出電壓之間的差異太大時，開關轉換器可以避免產生過多的熱量。

3、非隔離和隔離DC-DC 轉換器

非隔離式DC-DC設計的特點是輸入和輸出電路致之間直接連接（也就是具有單一電路），與隔離模型相比，可以用于低功率設備。例如：通信、計算機、汽車及其他行業。

隔離式轉換器，輸入和輸出相互分離，通常使用的式變壓器，可以阻止2個電路之間的直流流動。

通常來說初級和次級是分開，廣泛用于高壓DC-DC轉換器。此外，這個設計可以允許你斷開接地環路，可以保護敏感電路免受噪聲影響。

可以用于可編程邏輯控制器、工業自動化、IGBT驅動器的電源。

隔離式轉換器電路實例

例如下面這個例子，因為設備工作在潮濕的環境中，因此必須使用隔離式轉換器。在這里，使用了LM25017 fly-buck 穩壓器。

隔離式轉換器電路實例

存在電擊風險的系統使用LM25017 fly-buck 穩壓器是理想的選擇。

4、降壓型DC-DC轉換器

降壓轉換器，與輸入相比，產生較低的輸出電壓。

在簡單的降壓轉換器中，開關元件（K）快速打開和關閉電源。輸出電壓看起來像一系列方波。當開關打開時，線圈（L）和電容（C）會積蓄能量。

電容將這些波平滑成直流電壓。當電壓達到所需水平時，開關元件關閉，二極管（D）導通。自感電動勢使電流留過二極管，線圈中積累的能量為負載充電。

下面是一個簡單的降壓轉換器原理圖。

降壓轉換器

降壓轉換器用于許多領域，包括電池充電器、多媒體播放器、游戲機、監視器和電視機。

5、升壓型DC-DC轉換器

升壓DC-DC可以產生高于輸入電壓的電壓。在典型的升壓轉換器中，感應線圈接收幾乎所有電流，而閉合的二極管不讓電流對電容和負載充電。

由于電流較高，與降壓原理圖相比，線圈可以積聚更多的磁場能量，當電壓下降到某一點時，電源鍵關閉，同時二極管導通。

輸入電壓增加了存儲在線圈中的能量，這樣的話，升壓DC-DC轉換器的輸出電壓高于輸入電壓。

升壓DC-DC轉換器

如上圖，升壓DC-DC轉換器與降壓型轉換器相同的組件，開關元件、導體線圈、二極管和電容，但排列方式不同。

升壓轉換器通常用于混合動力汽車、使用節能燈的照明系統，便攜式照明設備。

6、buck-bosst DC-DC 轉換器

buck-bosst DC-DC 轉換器可以增加和減少輸入電壓以產生更高或者更低的輸出電平。當需要處理寬輸入電壓范圍時，通常就會用到。

在這種情況下，轉換器使用2個導體和2個電容來升高和降低電壓。

buck-bosst DC-DC 轉換器

buck-bosst DC-DC 轉換器通常用于鋰離子電池供電的設備中。通常轉換器將電壓降低到所需水平。但是隨著電池電壓隨著時間下降會開始升高。

7、反相DC-DC轉換器

反相DC-DC轉換器的主要功能是反轉輸出電壓的極性。輸出電平可以高于或者低于輸入電平。當設備需要雙電源（例如運算放大器）

反相DC-DC轉換器

三、DC-DC轉換器基本特性

在選擇DC-DC轉換器時，需要注意以下特性和參數，最重要的幾個如下：

1、輸入電壓

輸入電壓由使用的電源定義，不同的電源提供不同的輸入電壓。在設計的時候，必須要確保DC-DC轉換器可以承受這些電壓。

2、輸出電壓

DC-DC轉換器可以產生固定或者可調的輸出電壓，可以從最小值到最大值，通常來說，型號的選擇由負載所需的電壓范圍決定。

3、輸出電流

輸出電流定義了轉換器可以提供的電功率。

4、效率

效率是傳輸到輸出的輸入功率的百分比，可以用下公式：

效率

例如：DC-DC轉換器的效率差異很大，這個參數是至關重要的。例如：如果設備由電池供電，則效率定義了設備在必須要更換電池之前可以工作多長時間。

但在有些情況下，效率并沒有那么重要。然后轉換過程中損失的能量以熱量的形式消散。

5、溫度

由于額外的能量會轉換為熱量，因此過熱會成為一個嚴重的問題，這個時候就必須使用額外的熱保護。

6、尺寸和安裝

DC-DC轉換器有很多種封裝類型，如果需要將其安裝到PCB中，可以選擇多種安裝方式，但是也要考慮尺寸的問題。

四、與DC-DC轉換器相關的常見問題

1、EMC問題

電磁兼容性是使用DC-DC轉換器可能面臨的最明顯的問題，由于效率比較高，開關類DC-DC轉換器非常受歡迎，會產生電磁噪聲。因此，這類設備必須進行電磁兼容性測試，這樣確保不會對其他設備造成電磁干擾。

通常來說這些問題可以通過適當的PCB層堆疊、額外的電容和濾波電容來解決。例如必須避免在敏感元件和子電路附近安裝轉換器（尤其是導體線圈）。

在下面這個示意圖中，你可以看到一個鐵氧體磁珠（L2），以及四個陶瓷電容（C5-8）和一個電化學電容（C4）。這些元件都安裝在那里保護模擬子電路免受EM干擾。

陶瓷電容抑制來自轉換器的高頻噪聲，電化學電容平滑來自不同來源的低頻波動，這種組合大大提高了電源的質量。

在原理圖的右上角看到4個陶瓷電容和一個電化學電容。

2、安全問題

在許多設備中，輸入和輸出電壓之間的差異可以達到數百伏，這樣的話其實會非常危險，因此必須要使用高壓DC-DC轉換器的設備。

1）功能絕緣

輸入和輸出電路之間的功能絕緣僅在正常工作時才需要，但是如果輸入到輸出絕緣發生擊穿或者故障，就無法提供足夠的電擊保護。這個保護級別必須至少滿足標準的一組要求：

• 電氣間隙和爬電距離

• 電氣強度測試

• 故障條件測試

如果滿足以下條件，就允許設備的DC-DC具有功能性絕緣：

• 交流轉直流電源在交流輸入和直流輸出之間使用加強絕緣或雙重絕緣。

• AC-DC 電源使用基本絕緣或附加絕緣，而 DC-DC 轉換器的次級電路連接到保護接地。

• AC-DC 電源具有基本或附加絕緣，而 DC-DC 轉換器的初級電路連接到保護接地。

2）基本絕緣

該絕緣等級提供基本的電擊保護。設備必須滿足所有三組（a、b 和 c）要求。如果 AC-DC 電源在 AC 輸入和 DC 輸出之間具有功能絕緣，而 DC-DC 轉換器的次級電路連接到保護接地，則需要此級別。

3）附加絕緣

除了滿足基本的絕緣要求外，該等級還增加了一層保護，例如針對 71V 以上的峰值電壓將絕緣穿透距離增加 0.4 毫米。如果 AC-DC 電源在交流輸入和直流輸出之間使用基本絕緣，則需要此級別的保護。

4）雙重絕緣

該保護等級結合了基本絕緣和附加絕緣。

5）加強絕緣

它是一種單一絕緣系統，能夠提供與雙重絕緣相同的防護等級。它可以包含多個保護層，如果 AC-DC 電源在交流輸入和直流輸出之間沒有絕緣或功能絕，就需要加強絕緣。

3、散熱注意事項

DC-DC轉換器主要用于便攜式設備。

大多數熱量式由變壓器產生的，因此隔熱系統根據其制造材料在其高溫下的相互作用按照標準進行評級。在大多數DC-DC轉換器中，可以發現在主PCB內構建的平面變壓器，很多工程師都不覺得這個是個安全隱患，除非溫度超過PCB的最大額定值。

過熱問題可以通通過多種方法組合來解決。例如：在下圖中，你可以看到4個產生大量熱量的電源轉換器。使用具有較低靜態漏源導通電阻的MOSFET晶體管，意味著更少的能量轉換為熱量。

此外，還制作了寬的平行走線并且添加了很多過孔，可以讓熱量從PCB的兩側散發出去。

DC-DC轉換器散熱注意事項