DC-DC转换器功能、常见类型和设计原则、应用和挑战

　　什么是DC-DC转换器及其功能？

　　DC-DC转换器是将一种直流电压或电流电平转换为另一种直流电压或电流电平的机电设备或电子电路。在大多数情况下，设备只使用一个电源。但是，如果不同的子电路需要不同的电压才能正常工作，则需要将输入电压转换为较低或较高的电平。这可以通过 DC-DC 转换器来完成。此外，它们还能稳定电压，不会让电压下降或上升太多。例如，汽车 DC-DC 转换器的用途之一是调节汽车交流发电机中的电压波动。

　　这些电路有助于正确分配和管理电力，为每个电力消费者提供适当的电压或电流水平。它还保护高度敏感的子电路。最重要的是，在便携式设备中，它们可以在电池电量部分降低时升高电压，从而提高功耗效率。这种转换器用于许多电子设备中。根据EMR 的全球 DC-DC 转换器市场报告，其中一半以上用于智能手机，但它们也有其他应用：从消费电子和电信设备到工业和医疗设备、工厂自动化、交通、机器人、电力电子等。作为电子开发商，我们在设计电力电子产品时也充分利用了各种DC-DC转换器、硬件和机器人技术。

　　常见类型的DC-DC转换器

　　线性和开关 DC-DC 转换器

　　线性转换器通过阻性负载降低输出电压。在这种类型的典型电路中，输入和输出连接一个晶体管（下图中的 RVT1）。输入电压被晶体管两端的电压降低，这导致输出电压下降。

　　这种电路非常简单和便宜，但有许多严重的缺点。它们只能用于降低电压。此外，它们的效率会随着输入和输出电压之差的增加而下降。只要设备不是由电池供电，这种下降就无关紧要。另一方面，这种未使用的功率会以热量的形式耗散，如果输入和输出电压差异很大，则此类模型很容易过热。

　　然而，它们用于需要高质量输出电压和低输出电压纹波的低功率设备和节点，或用于对电磁干扰敏感的设备。它们设计简单，使用的组件很少，并且可以节省大量空间（除非需要使用散热器）。线性转换器通常用于音频和视频电子、通信设备、医疗和测量设备。

　　开关转换器使用开关元件，通过电脉冲为存储电容器充电。然后，该电压通过电容器进行平滑处理并传输至负载。输出电压电平由开关元件的占空比定义。

　　与线性转换器相比，它们的效率要高得多，可以达到 85-90%。这就是为什么工程师更喜欢在电池供电的设备中使用它们。由于它们效率更高，因此不会产生太多热量，可用于降低和增加输出电压。因此，只要线性类型不是一种选择，就会使用它们。另一方面，它们会产生更多的电磁噪声并需要更多的组件，这使得它们更加昂贵。

　　在我们的一个项目中，我们需要为具有多个无线电发射器的设备中的多个子电路供电。子电路需要 5V，而输入电压为 12V。最大电流有望达到2A。在这种情况下，使用线性转换器是不切实际的，因为一半以上的能量会以热量的形式耗散（全功率时高达 14W）。安装冷却散热器也不是一种选择，因为外壳太小（10x10x1 厘米）。相反，决定使用 TPS54335 开关转换器。

　　如您所见，这两种转换器类型各有利弊，因此很难做出决定。在决定使用哪种转换器时，必须考虑一系列因素，包括与电磁兼容性、效率、过热等相关的潜在问题。这就是为什么您需要一支经验丰富的专业人员团队来完成这项工作。请随时联系我们讨论您的项目或想法。

　　非隔离和隔离 DC-DC 转换器

　　非隔离式 DC-DC 转换器设计的特点是输入和输出电路之间直接连接（即具有单一电路）。与隔离模型相比，它们用于低功率设备以受益于成本相对较低、尺寸较小和效率较高，因为没有变压器会损失能量。这些类型用于通信、计算机、汽车和其他行业。

　　在隔离式转换器中，输入和输出相互分离（通常使用变压器）。它阻止了两个电路之间的直流流动。通常，为了安全起见，初级和次级电路是分开的，这就是这种设计广泛用于高压 DC-DC 转换器的原因。此外，此设计还允许您断开接地环路，以保护敏感电路免受噪声影响。

　　它们用于可编程逻辑控制器、工业自动化、IGBT 驱动器的电源等。特别是，出于安全考虑，可能不允许在设备中使用非隔离式 DC-DC 转换器。

　　　降压型 DC-DC 转换器

　　也称为降压转换器和斩波器，与输入相比，它们产生较低的输出电压。

　　在简单的降压转换器中，开关元件 (K) 快速打开和关闭电源。输出电压看起来像一系列方波。当开关打开时，线圈 (L) 和电容器 (C) 会积累能量。电容器还将这些波平滑成直流电压。当电压达到所需水平时，开关元件关闭，二极管 (D) 导通。自感电动势使电流流过二极管。线圈中累积的能量为负载充电。

　　降压 DC-DC 转换器用于许多领域，包括电池充电器、多媒体播放器、游戏机、监视器和电视机。

　　　升压型 DC-DC 转换器

　　也称为 DC-DC 升压转换器，它们可以产生高于输入电压的电压。在典型的升压转换器中，感应线圈接收几乎所有电流，而闭合的二极管不让电流对电容器和负载充电。由于电流较高，与降压原理图相比，线圈会积聚更多的磁场能量。当电压下降到某一点时，电源键关闭，同时二极管导通。输入电压增加了存储在线圈中的能量，这使得升压 DC-DC 转换器的输出电压高于输入电压。

　　每当您无法为电池提供足够高的输入电压或根本没有足够的空间容纳更多电池时，就会使用升压转换器。它们通常用于混合动力汽车、使用节能灯的照明系统、便携式照明设备等。

　　通用直流到直流转换器

　　它们可以增加和减少输入电压以产生更高或更低的输出电平。它们也称为升降压转换器。当您处理宽输入电压范围时，通常会使用这种类型。例如，它通常用于汽车电池。

　　这种电路通常用于由锂离子电池供电的设备中。通用转换器将电压降低到所需水平。但随着电池电压随时间下降，它开始升高。它们还可以在测量设备、照相机和摄像机、MP3 播放器、GPS 系统、无线设备（键盘、鼠标、发射器）、LED 照明等中找到。

　　反相 DC-DC 转换器

　　它们的主要功能是反转输出电压的极性。输出电平可以高于或低于输入电平。当设备需要双电源（例如，运算放大器）时，此类模型非常有用。

　　DC-DC转换器的基本特性

　　在为设备选择 DC-DC 转换器时，工程师会注意不同的特性和参数，其中最重要的如下：

　　输入电压该参数由所使用的电源定义。不同的电源（例如，AC-DC 适配器或电池）提供不同的输入电压。在设计电子产品时，硬件开发公司必须确保 DC-DC 转换器能够承受这些电压。

　　输出电压DC-DC 转换器可以产生固定或可调的输出电压。后者可以从最小值到最大值不等。在这两种情况下，型号的选择均由负载所需的电压范围决定。

　　输出电流输出电流（连同输出电压）定义了转换器可以提供的电功率。

　　效率效率是传输到输出的输入功率的百分比。可用以下公式计算：

　　如上所述，DC-DC 转换器的效率差异很大。在某些情况下，此参数被认为是至关重要的。例如，如果设备由电池供电，则效率定义了设备在必须更换电池之前可以工作多长时间。

　　在某些情况下，效率本身并不那么重要。然而，转换过程中损失的能量会以热量的形式消散。这反过来会导致不良后果。

　　温度由于额外的能量会转化为热量，因此过热会成为一个严重的问题。这个问题可以通过适当的套管来部分解决。但在某些情况下，可能必须使用额外的热保护。

　　尺寸和安装类型DC-DC 转换器有多种封装类型。如果需要将其安装到 PCB 中，设计人员可以选择多种安装方式，包括表面或通孔安装、单列直插或双列直插引脚。当工程师开发小型设备时，尺寸也很重要。

　　货源稳定最后，在为设备选择转换器时，确保制造商不会在不久的将来停止支持该型号也很重要。这就是为什么我们的团队总是优先考虑最新的模型。

　　与 DC-DC 转换器相关的常见问题

　　任何电子设计公司的另一个常见问题是满足各种法规和认证要求。从安全和电磁兼容性的角度来看，使用 DC-DC 转换器会影响设备的特性和特性。此外，不同的应用程序可能会提出额外的要求。