基礎(chǔ)知識(shí)之DC/DC轉(zhuǎn)換器

DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種將DC（直流）轉(zhuǎn)換為DC（直流）的元件，具體是指利用DC（直流）轉(zhuǎn)換電壓的元件。 IC等電子元件各自的工作電壓范圍不同，因此需要轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。 生成電壓低于初始電壓的轉(zhuǎn)換器被稱為“降壓轉(zhuǎn)換器”；生成電壓高于初始電壓的轉(zhuǎn)換器被稱為“升壓轉(zhuǎn)換器”。

DC/DC轉(zhuǎn)換器是指將直流轉(zhuǎn)換為直流的裝置的名稱。 它常被稱為線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等，以轉(zhuǎn)換方式的名稱命名。 

Alternating Current（交流）的首字母縮寫。 AC是大小和極性（方向）隨時(shí)間呈周期性變化的電流。 電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱為頻率，以Hz為單位表示。

Direct Current（直流）的首字母縮寫。 DC是極性（方向）不隨時(shí)間變化的電流。

①流動(dòng)極性（方向）和大小皆不隨時(shí)間變化的電流通常被稱為DC。

②流動(dòng)極性不隨時(shí)間變化，但大小隨時(shí)間變化的電流也是DC， 通常被稱為紋波電流 (Ripple current)。

插入插座進(jìn)行工作的電氣產(chǎn)品需要使用將AC（交流）100V轉(zhuǎn)換為DC（直流）的“AC/DC轉(zhuǎn)換器”。 這是因?yàn)榇蟛糠职雽?dǎo)體部件只能在DC下工作。 整機(jī)電路板上搭載的IC等具有各自固有的工作電壓范圍，電壓精度要求也不同。 通過(guò)電壓不穩(wěn)的電源等供電會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作或特性劣化等異常。 因此，需使用“DC/DC轉(zhuǎn)換器”轉(zhuǎn)換為所需的電壓并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化。

通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。

電源IC大致分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器兩種。 作為其各自的輸出形式，線性穩(wěn)壓器僅可降壓輸出比輸入電壓低的電壓。 開關(guān)穩(wěn)壓器則具有自由度，輸出形式包括以下4種：

• 降壓輸出比輸入電壓低的電壓
• 升壓輸出比輸入電壓高的電壓
• 升降壓輸出恒定電壓，與輸入電壓的高低無(wú)關(guān)
• 從正電壓反轉(zhuǎn)輸出負(fù)電壓

而且，開關(guān)穩(wěn)壓器的整流方式有同步整流和非同步整流（二極管整流）。

【電源IC種類】

通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。 按轉(zhuǎn)換方式，電壓穩(wěn)壓器分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器2種類型。

因工作時(shí)輸入與輸出的關(guān)系呈線型，故被稱為“線性穩(wěn)壓器”。 因輸入與輸出間串聯(lián)有控制元件，有時(shí)也被稱為“串聯(lián)穩(wěn)壓器”。

通過(guò)控制元件降壓，因此輸入與輸出的電壓差（降壓程度）越大損耗就越大，效率也越低。 因此適用于小功率的電源。

接通開關(guān)元件（MOSFET），從輸入端向輸出端供電，直至輸出電壓達(dá)到所需電壓。 輸出電壓達(dá)到規(guī)定值后，開關(guān)元件即關(guān)閉，不再消耗輸入功率。 通過(guò)高速重復(fù)這一動(dòng)作，將輸出電壓調(diào)節(jié)到規(guī)定值。

線性穩(wěn)壓器基本上由VIN （輸入）、VO （輸出）、GND （接地）三個(gè)引腳構(gòu)成。 在輸出可變的線性穩(wěn)壓器上添加了用于反饋輸出電壓的FB（反饋引腳）。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電壓固定型是內(nèi)置了電壓可變型的外接電阻的穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部電路概要如下圖所示。

其工作原理與反相放大電路相同，誤差放大器的非反相引腳（FB）電壓與基準(zhǔn)電壓 (VREF) 相同，因此輸出電壓值（VO）由兩個(gè)電阻（R1和R2）的阻值比決定。

下圖的輸出晶體管為MOSFET，不過(guò)也有使用雙極晶體管的產(chǎn)品。

線性穩(wěn)壓器按功能進(jìn)行分類時(shí)，首先可分為正電壓用和負(fù)電壓用兩種。 根據(jù)使用電路不同，也有不需要正電源，而需要負(fù)電源的產(chǎn)品。 若只有正側(cè)電源，則不能處理接地電位以下的電壓，不能將晶體管的輸出引腳的電壓分配至負(fù)電平。將控制晶體管裝入負(fù)輸出線，從而產(chǎn)生負(fù)電壓。

【按功能分類】

其次，還可分為電壓固定型和電壓可變型兩種。固定型由輸入、輸出、GND三個(gè)引腳構(gòu)成，內(nèi)置有輸出電壓設(shè)定用電阻。 可變型為GND基準(zhǔn)型時(shí)，添加反饋引腳變成四個(gè)引腳。可變型中也有無(wú)GND引腳的浮動(dòng)工作型，這種情況為三個(gè)引腳。

電壓固定型和電壓可變型之后還可分為標(biāo)準(zhǔn)型和LDO兩種。 LDO是Low Dropout的縮寫，是降低了輸入輸出間電位差的線性穩(wěn)壓器。標(biāo)準(zhǔn)型的輸入輸出間電位差最低也有約2V，而LDO可控制在1V以下。

何謂LDO？

LDO是Low Dropout的縮寫，是即使較低的輸入輸出間電位差也可進(jìn)行工作的線性穩(wěn)壓器。 有時(shí)也稱為低損耗型線性穩(wěn)壓器或低飽和型線性穩(wěn)壓器。 關(guān)于LDO的輸入輸出間電位差并無(wú)數(shù)值性的定義，一般是指穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作時(shí)最低電位差可控制在1V以下的穩(wěn)壓器。 例如，對(duì)于需要3.3V電源的IC，由于標(biāo)準(zhǔn)型不可制作5V到3.3V電源，因此，需要輸入輸出間電位差較低的LDO。 這樣，LDO在輸出與標(biāo)準(zhǔn)型穩(wěn)壓器相同的電壓時(shí)，也可設(shè)定較低的輸入電壓。 通過(guò)低電位差工作，可使能量損耗較少，可進(jìn)行抑制散熱等設(shè)計(jì)。

在線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部，從VIN到VO間加入了晶體管，使此晶體管穩(wěn)定工作所需的輸入輸出間最低電位差稱為壓降。 輸入輸出間電壓差低于壓降時(shí)，晶體管難以維持穩(wěn)定的工作，輸出電壓會(huì)降低。 

這樣，為了使含有LDO的線性穩(wěn)壓器工作，設(shè)定了所需的最低輸入電壓值，此時(shí)(VO + 壓降) 即為穩(wěn)壓器的最低工作電壓值。 輸入電壓值 (VIN) 低于最低工作電壓時(shí)，輸出電壓不能穩(wěn)定工作。