开关 DC 到 DC 转换器的类型

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我们比较不同类型的DC 到 DC 转换器,包括线性与开关模式、buck、boost、buck-boost 和基于变压器的隔离型,以供您做出合适的选择。

线性与开关模式

DC/DC 转换器属于将直流电 (DC) 源从一个电压级别转换为另一个电压级别的电源。有两种 DC/DC 转换器:线性和开关型。线性 DC/DC 转换器使用电阻式电压降来产生和调节给定的输出电压,开关模式 DC/DC 转换器则定期存储输入能量,然后在不同电压下将该能量释放到输出。存储可以是在一个磁场元器件中(如电感器或变压器)或者在一个电场元器件中(如电容器)。基于变压器的转换器在输入和输出之间提供隔离。

开关模式转换器有三个主要优点:

  • 功率转换效率更高。
  • 因为开关频率更高,所以被动组件更小,而更低的损耗简化了热力管理。
  • 由开关稳压器中的电感器所储存的能量可以转换成比输入(step-down 或 buck 型)小、比输入(boost 型)大或带有反极性的 buck-boost(逆变器型)输出电压·。
  • 与开关转换器不同,线性转换器只能生成低于输入电压的电压。尽管开关 DC/DC 转换器有很多优点,但也不乏一些缺点。与线性电路相比,它们噪音大,需要以控制回路的形式进行能量管理。好在现代开关模式控制器芯片让控制任务变得容易。

    非隔离式 DC/DC 转换器

    本质上,开关 DC/DC 转换器或稳压器是一种电路,它使用电源开关、电感器、二极管和电容器将能量从输入转换为输出。这些元器件可以有多种设置方式,以实现尽早确定的 buck、boost 或 buck-boost(逆变器)类型。

    降压 (Step-down/Buck) 转换器

    在典型的非隔离降压转换器中,输出电压 VOUT 取决于输入电压 VIN 和电源开关的开关工作周期 D。

     0717 Switching DCDC Converters Step Down

    图 1:基本降压 (step-down 或 buck) DC/DC 转换器拓扑结构。

    升压 (Step-up/Boost) 转换器

    基本的升压 DC/DC 转换器使用相同数量的被动元器件,但设置为升压输入电压,于是,输出高于输入。

    0717 Switching DCDC Converters Step Up

    图 2:基本升压 (boost) DC/DC 转换器拓扑结构。

    降压-升压 (Buck-Boost) 转换器

    典型的降压-升压 DC/DC 电路允许输入直流电压或升或降,这取决于工作周期。输出电压计算方式为:

    VOUT = -VIN *D/(1-D)

    从上面的等式可以看出,输出电压总是与输入的极性相反。因此,降压-升压转换器也被称为电压逆变器。

     0717 Switching DCDC Converters Buck Boost

    图 3:典型的降压-升压 (buck-boost) DC/DC 转换器拓扑结构。

    隔离式 DC/DC 转换器

    有两种主要类型的基于变压器的隔离式 DC/DC 转换器:反激变型和正激变型。在这两种类型中,变压器都在输入和输出之间提供隔离。

    反激变型的工作如同降压-升压,但使用变压器存储能量: 

     0717 Switching DCDC Converters Flyback

    图 4:基本的基于变压器的反激变 DC/DC 转换器拓扑结构。

    在正激变拓扑中,当开关关闭时,变压器采用传统方式将能量从主能量转换为次能量。

    在这些例子中,开关 MOSFET 用一个理想开关表示,同时省去了控制电路。这些是非同步类型的转换器。然而,当传统的二极管整流器被 MOSFET 取代来完成整流时,它被称为同步整流,转换器称为同步 DC/DC 转换器。

    正在寻找更多电源知识?要了解有关开关电源如何优化您的设计的更多信息,请参阅我们的开关模式电源工作原理详解。 此外,您还可以思考是否您的项目需要不间断电源需要 AC/DC 解决方案?本文可以帮助您作出正确选择。

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