【導讀】經(jīng)過(guò)五十多年的歷史發(fā)展，在電子電路中將直流電壓轉換成另一種直流電壓顯示，其復雜性不斷提高，現代設計的功率密度高到令人難以置信的同時(shí)還要提升效率以保持小功率。RECOM 現有許多創(chuàng )新設計，在小封裝的低功率轉換器上應用了大功率電源的設計技術(shù)。
小功率 DC/DC 轉換器的優(yōu)勢
經(jīng)過(guò)五十多年的歷史發(fā)展，在電子電路中將直流電壓轉換成另一種直流電壓顯示，其復雜性不斷提高，現代設計的功率密度高到令人難以置信的同時(shí)還要提升效率以保持小功率。RECOM 現有許多創(chuàng )新設計，在小封裝的低功率轉換器上應用了大功率電源的設計技術(shù)。
第一種 DC/DC 轉換解決方案都是低噪聲線(xiàn)性設計，容易使用但有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。首先，輸出電壓必須都要低于輸入電壓；線(xiàn)性穩壓器的效率非常低，以熱量的形式耗散大部分所提供的功率。其次，根據輸入和輸出之間的電壓差，線(xiàn)性穩壓器的效率可能只有 60% 或者更低。
DC/DC 開(kāi)關(guān)轉換器的發(fā)明解決了這兩個(gè)問(wèn)題，但需要更加復雜的設計方法。與線(xiàn)性設計相比，開(kāi)關(guān)轉換器利用電感和電容組件的儲能特性以分立器件封裝形式傳輸功率。功率脈沖存儲在電感器的磁場(chǎng)或電容器的電場(chǎng)之中。
開(kāi)關(guān)控制器確保每個(gè)開(kāi)關(guān)周期僅傳輸負載所需的功率，因此該拓撲非常高效。好的設計可以實(shí)現 97% 或更高的效率。開(kāi)關(guān) DC/DC 轉換器的簡(jiǎn)化框圖如圖 1 所示。
圖 1：開(kāi)關(guān)穩壓器簡(jiǎn)化框圖
圖 1 中的開(kāi)關(guān)功能由功率晶體管負責執行，功率晶體管按受控順序在高效的「開(kāi)」和「關(guān)」狀態(tài)之間交替。這與線(xiàn)性設計中的連續操作形成對比。DC/DC 開(kāi)關(guān)轉換器可以產(chǎn)生高于或低于輸入的輸出（升壓或降壓）或將輸入電壓反向后輸出。
輸出可以是穩壓或非穩壓的。非穩壓轉換器的輸出電壓隨負載電流或輸入電壓的變化而變化。若是穩壓設計，反饋控制回路（虛線(xiàn)）將輸出電壓反饋到開(kāi)關(guān)塊；這會(huì )改變開(kāi)關(guān)操作以補償輸出電壓偏差，無(wú)論這些偏差是由輸入電壓變化（例如電池緩慢耗盡）還是負載變化引起的。
最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)拓撲在輸入和輸出之間共享一條公共接地電流路徑，因此是非隔離的，其中電感組件是電感器。隔離轉換器在輸入和輸出之間有電流隔離，通過(guò)變壓器相互耦合繞組產(chǎn)生的電磁場(chǎng)傳輸功率。由于輸出與輸入電隔離，因此輸入電壓是否與輸出電壓極性相同都沒(méi)有關(guān)系。在線(xiàn)性設計中，接地返回電流直接在輸入到輸出之間流動(dòng)，因此無(wú)法隔離，而且只需要三個(gè)引腳：Vin、公共接地和 Vout。
低功率 DC/DC 轉換器拓撲
更好的性能與更高的成本、更多的復雜性和更大的占位面積密切相關(guān)，這幾乎是電源設計的事實(shí)。小型 DC/DC 轉換器用戶(hù)非?？粗胤庋b和性?xún)r(jià)比，那么RECOM 要如何滿(mǎn)足他們對小功率隔離 DC/DC 產(chǎn)品的要求呢？
推挽式拓撲廣泛用在隔離 DC/DC 轉換器。這是一種能夠生成更高、更低或反相電壓的低成本方式，因為變壓器匝數比決定了輸出電壓。此拓撲結構簡(jiǎn)單、效率合理且電磁輻射也相對較低。
圖 2：非穩壓輸出的推挽式 DC/DC 轉換器
圖 2 為非穩壓輸出的推挽式隔離 DC/DC 轉換器框圖。為了節省空間，振蕩器和驅動(dòng)晶體管可以組合在一個(gè)專(zhuān)用的推挽式變壓器驅動(dòng)器 IC 之中。
對于穩壓輸出，最簡(jiǎn)單的方法是在次級側添加一個(gè)與 +Vout 線(xiàn)路串聯(lián)的線(xiàn)性穩壓器，如圖 3 所示。這種方法可以達到預期的目標，同時(shí)也適合用來(lái)設計極低功率的 DC/DC。以 RECOM RY/P 系列為例，此系列的線(xiàn)性穩壓器提供短路保護和低噪聲的穩壓輸出。
圖 3：穩壓輸出的推挽式 DC/DC 轉換器
這類(lèi)型的設計可以實(shí)現大約 65-75% 的效率。功率大于 1W 或 2W 的時(shí)候將效率最大化是首要任務(wù)，設計需要進(jìn)一步的改進(jìn)，因此要從次級側調節轉為初級側調節。為了代替線(xiàn)性穩壓器，輸出電壓是在次級側監控，并與目標電壓進(jìn)行比較生成電壓差，然后將其發(fā)送回初級側振蕩器控制器。這會(huì )調整開(kāi)關(guān)頻率以將誤差歸零。
由于這是一個(gè)隔離設計，因此誤差信號也必須隔離。圖 4 為 RECOM 在額定功率 3W 以上的穩壓轉換器使用了這種方法，可將效率提升至 85% 左右。
圖 4：次級側誤差信號向初級側控制器提供反饋
輸出功率更高的 DC/DC 轉換器需要更復雜的方法處理。不僅線(xiàn)性穩壓器以上述的方式浪費功率，兩個(gè)次級側二極管也是損耗的原因。功率二極管的正向壓降通常為 0.5V，這意味著(zhù) 1A 的功率損耗為0.5W。
解決方案是由兩個(gè) FET 場(chǎng)效應管和一個(gè)控制器組成的同步整流器來(lái)代替二極管和線(xiàn)性穩壓器。
圖 5：無(wú)源整流(左)與同步整流(右)
圖 5 對比了這兩種方法。FET 在周期的正向部分開(kāi)啟并在周期的反向部分關(guān)閉來(lái)充當整流器?？焖俚拈_(kāi)關(guān)加上約10mΩ 的極低導通電阻 RDS(ON) 使 FET 成為理想的整流器。缺點(diǎn)是它們必須有源驅動(dòng)，因此需要額外的時(shí)序和驅動(dòng)電路來(lái)檢測內部電壓并正確地打開(kāi)和關(guān)閉兩個(gè) FET 以跟輸出波形同步。二極管是無(wú)源器件，不需要額外的電路即可運作，但同步整流帶來(lái)的更高效率足以抵消為了追求高輸出電流轉換器而提高的成本復雜性。
圖 6：RP20采用多種設計技術(shù)提高效率
RECOM的 RP20 系列 20W DC/DC 轉換器使用同步整流器，效率高達 89%。該設計還包括前述的隔離誤差信號。最后，圖 6 的 RP20 可在很寬的負載范圍內實(shí)現 85%-89% 的效率。
結論
從大功率電源設計思路借鑒在極小功率的 DC/DC 轉換器上，以達到更高的效率。隨著(zhù)客戶(hù)對功率水平要求的增加，我們就必須進(jìn)行適當改變，從而改變需求的優(yōu)先順序。RECOM 是行業(yè)中提供成本優(yōu)勢和封裝尺寸最佳組合設計的引領(lǐng)者。
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