电力电子

第3篇 DC-DC转换器的电路技术

DC-DC转换器的作用是将直流电压转换为其它直流电压。转换效率优秀的开关式DC-DC转换器为电子设备的省电、小型、轻量化做出了重要贡献。越来越高性能的手机等移动设备也是靠具有多个小型DC-DC转换器的电路来驱动的。

电源随着电子设备发展而愈发多样化
扼流圈在斩波式转换器中发挥重要作用
变压器使用的绝缘型DC-DC转换器

电源随着电子设备发展而愈发多样化

正如此前文章介绍，在直流电压的转换方面，虽然也有采用三端口集成电路的线性式，但DC-DC转换器的主流都是开关式的。线性式是将部分电力转换为热量并舍弃，从而得到所需的直流输出电压的方式。开关式是通过开关元件，将输入直流细分为脉冲电流，再将其组合得到所需的直流输出电压的方式。举例来说，线性式就相当于将原木切割为板材，无论如何都会有大量的边角料损耗，板材的宽度不会超过原木的直径。相反，开关式就相当于将许多木片拼接成复合材料，其优点是不会浪费材料，可以得到尺寸自由的成品。因此，线性式的转换效率约为30%-50%，最多也就70%左右，而开关式可达到80%-90%。在单元型的开关电源中，将交流转换为直流的整流电路与DC-DC转换器组装在一起，可输出单一或多样的直流电压。不过，随着电子设备的多功能化和数字化发展，为了得到驱动电路所需的多种直流电压（12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.3V、1.0V、0.8V等），就会在设备内安装多个独立的DC-DC转换器。并且近年来，出于提高效率、应对噪声等目的，会采用在集成电路附近分散配置多个小型DC-DC转换器的设计。随着电子设备的这种发展，电源也显著地呈现多样化趋势。尤其是DC-DC转换器在电力电子学的世界中形成了庞大的产品家族，光是对其分类的话会造成歧义，因此不仔细梳理并理解的话，就会陷入困惑。因此，我们先从DC-DC转换器的降压、升压原理开始介绍。如图中的例子所示，将连接着电池的灯具开关迅速地ON/OFF，灯具亮度会下降。从闪烁的平均亮度可以看出，这就相当于电压的下降。由此可以得出，只要调节ON/OFF周期，就能控制电压。简单来说，这就是DC-DC转换器的变压原理。在电流的ON/OFF开关元件方面，采用的是晶体管或MOSFET等半导体元件。

扼流圈在斩波式转换器中发挥重要作用

最简单的DC-DC转换器称为斩波式。“斩波”顾名思义，这是通过电流的开关来将其斩断，从而变压的方式。扼流圈在斩波式转换器中发挥着重要作用。开关元件在ON/OFF时，电路中的电流会急剧变化，但线圈能产生电动力（电压），引发诱导电流，从而妨碍电流变化（楞次定律）。对于周期变化的交流电，它会发挥电阻一样的作用，仿佛将电流“扼制”（choke）了一样，因此利用了这种性质的线圈被称为扼流圈。斩波式的DC-DC转换器是由开关元件、扼流圈、电容器、二极管组合成的简单电路，能够提高或降低直流电压。如图所示的是斩波式降压型的降压转换器和升压型的升压转换器的基本电路。开关元件（图中为晶体管）、扼流圈、二极管的位置各有不同，而这正是解读电路的关键。在开关为ON、电流流入时，扼流圈储存能量，在开关为OFF时，它将能量放出，产生诱导电流，妨碍电流变化。图中虽然省略了，但晶体管的基极是和控制电路相连的，控制电路发来的方形波会导致开关切换（根据方形波的电压高低进行ON/OFF）。开关ON的时间越长，输出电压就越高，开关OFF的时间越长，输出电压就越低，因此只要控制ON/OFF时间（工作周期），就能得到所需的输出电压（PWM=脉冲幅度调制）。控制电路中包含复杂的电路，但因为集成化的原因，在基板上并不占很多空间。在基板上占据大量空间的是电容器（电解电容器）和扼流圈）。除了上述两种，斩波式的DC-DC转换器还有能够同时升降压的升/降压转换器。它将降压转换器的二极管方向逆转，从而翻转输出电压的正负极，因此也称为电极翻转型。

变压器使用的绝缘型DC-DC转换器

斩波式的DC-DC转换器具有简单电路，因此常作为基板上搭载的小型板载型DC-DC转换器。斩波式的DC-DC转换器被称为非绝缘型，而采用变压器（开关变压器等）的类型则称为绝缘型。变压器包括核心（铁芯或铁氧体核心）和输入端卷线、输出端卷线，输入端卷线若有电流变化，按照楞次定律，就会产生反向的电动力。因此，核心的磁通量变化会在输出端卷线也产生电动力（诱导电动力），引发诱导电流。这种现象在扼流圈中称为自我诱导，在变压器中称为相互诱导。它们在原理上都是电磁诱导。类似斩波式转换器的扼流圈利用了其储存能量的性质，绝缘型的DC-DC转换器也巧妙地利用了变压器储存的能量来进行变压。因为它利用变压器使输入和输出端之间绝缘，因此被称为绝缘型。这也有助于传导噪声的阻断和防触电。
绝缘型DC-DC转换器也分为多种类型，最基础的是反激式转换器（他励式）和正激式转换器（单转换器式），下图是它们的基本电路（控制电路被省略）。解读电路的重点是变压器。变压器的电路图旁边有●符号，这代表卷线的“开始”处。也就是说，它表示输入、输出端卷线产生的电动力（逆电动力、诱导电动力）的方向（电极）。
在绝缘型DC-DC转换器中，这个电极具有重要意义。根据楞次定律，输入、输出端卷线的电动力（逆电动力、诱导电动力）的方向与●符号相同。所以这个符号也可以理解为这个意思。反激式和正激式的●符号位置不同，这点也值得注意。
以反激式和正激式转换器为基础，还存在可推型、半桥型等多种多样的DC-DC转换器。这些将在此后的文章中介绍，概况来说的话，非绝缘型DC-DC转换器（降压、升压型）为小容量型，绝缘型DC-DC转换器中的单转换器反激式（他励式）为小容量型，正激式为小-中容量型。多转换器绝缘型的DC-DC转换器为中-大容量型，其电路会变得极为复杂。DC-DC转换器是一个深奥的技术领域。为了实现高效、小型、轻量化和除噪，人们采用了各种先进的电路技术。