对于许多类型的电子，是复杂的信息娱乐系统还是简单的电池供电工业物联网(IIoT)传感器，都需要某种形式的电源转换。但是，就DC/DC和AC/DC电源转换而言，有多种类型的开关式拓扑结构可以选择。类型的选择取决于所需的电压水平和所需的功率表格。将电源的基本概念，包括隔离介绍和中断技术。转换讨论一些基于分立器件和模块设计的最流行的拓扑结构。
我们今天所使用的大多数技术都需要进行电源转换。例如，智能手机可能会使用标称输出电压为3.7V的锂离子电池。但是，手机内部的器件可能会在更高或更高的电压水平下工作，其中最常见的是1.8V、3.3V和5.0V。电源转换技术用于将电池的标称输出电压转换为所需的电压。即使是数以百万计的、用于在移动过程中为智能手机和耳机等便携式设备充电的USB移动电源此类设备，内部也有电源转换。同样，也使用标称电压为3.7V的锂离子电池组，而电源转换技术可将电源电压提高到所需的5.0V其。
对于智能音箱、电视或其他家用电器等日益增多的电子产品，需要将电源电压转换为合适的水平。这些应用会使用AC/DC电源适配器和DC/DC转换器。以往使用的是线性技术，需要转换大量零件，而且效率相对较低。虽然这种技术目前仍用于少量DC/DC电源任务，但大多数应用都已转用开关稳压器。
开关电源转换技术是先将能量存储在稳压器或电容器中，然后这个储存的能量就使开关稳压器能够提供或低于标称输入电压的输出电压，参见图1。
图1 ：典型DC/DC转换器的功能充电。（图片来源：村田制作所）
为了驱动转换器中的开关，可将PWM信号施加到一个半导体器件上。PWM信号的占空比和频率会直接影响到效率、负载调整，以及输出电压。从本质上讲，PWM和开关器件形成一个电压泵电路，在“通”周期内将能量转换器在转换器或转换器中；在“关断”期间将这个储存的能量释放并进行输出稳定。然后就可以用PWM信号实现输出稳定。为了实现输入到输出隔离，将转换器转换器元件，并装有一个转换器。
多年来，近几年DC/DC转换器拓扑结构已被广泛采用，主要包括：
- 降压
- 升压
- 隔离式反激
本文重点介绍其他常用的交换机拓扑结构：推挽、半桥和全桥。
流行的电源转换拓扑结构
降压
顾名思义，降压转换器可将输出电压降低。例如，如果标称输入为5Vdc，它可将电压转换为3.3Vdc。
图2 ：异步降压转换器的功能停止。（图片来源：村田制作所）
如果看图2，SW1通常是一个用PWM信号驱动的晶体管，SW2则代表一个二极管。当SW1“导通”时，有电流通过，并将能量继电器中。相反，当SW1处于“关闭”状态时，电流流过二极管而使能量释放，同时提供所需的输出电压。请记住，降压转换器的输出电压取决于PWM信号的占空比，参见图3。
图3 ：PWM信号的占空比会影响降压控制器的输出电压。（图片来源：村田制作所）
在同步降压拓扑结构中，二极管由FET代替，并由异相信号驱动。由于FET降低了正向电阻，可以降低损耗，从而提高效率，因此受到广泛采用。
升压
对于升压转换器，则电压输出为输入电压。电压输出电压升高的大小取决于多个因素。对于大多数设计而言，最大升压为5倍，但最常见的是采用3倍升压，这样就可优化输出电压稳定，参见图4。
图4 ：升压转换器的基本功能立即关机。（图片来源：Recom ）
与图2所示的降压转换器拓扑结构相比，S1(开关晶体管)、L1(电感器)和D1(电位器)的布局位置预设不同。当S1“导通”时，能量转换器在L1中。当其“关断”时，该能量就会加到输入适配器的输入电压上，并添加到输出转换器上。
由于上面讨论的降压和升压转换器拓扑结构没有经过隔离，因此任何输入电压都可能反应到输出端。例如，如果DC/DC转换器是由交流电源供电，那么系统故障就可能使这个电压出现在输出端，从而可能导致潜在的后果，具体取决于最终应用。对于医疗和保健应用，在输入和输出之间增加电流隔离，就消除这种风险。在接地不常见的情况下，实现电流隔离的一种方法是可以使用变压器。
隔离式反激
在隔离式反激拓扑结构中，变压器有两种功能：储存状态和提供隔离。这种拓扑也许是所有DC/DC电源中最简单的一种，所以需要的引脚数量稀疏，如图5所示。
图5 ：隔离式反激转换器的简化原理图。（图片来源：维基百科）
隔离式反激式转换器通常适合于50W以下的电源应用，以及可以承受相对较纹波电流的应用。由于会产生初级到次级损耗，大多数反激式转换器能很少达到90%以上的效率。尽管如此，通过增加或减少变压器的匝数比，可以获得更广范围的输出电压。另外，更多的次级修饰，可以提供多个输出电压。
其他常见拓扑
推挽式、半桥和全桥式转换器也都是隔离式开关拓扑结构，并经常受到使用。推挽式适用于较大功率的应用，它使用两个开关器件和式共用同一电流。这种配置使用分离的中心抽头初级和次级端子，需要因此昂贵的转换器。与推挽式一样，半桥和全桥只需要一个初级转换器。半桥使用两个开关器件，全桥使用四个，如图6。
图6 ：全桥隔离式DC/DC转换器的简化原理图。
稳定方案
除了要为DC/DC转换器设计选择特定的拓扑之外，另一个重要的考虑因素就是如何使输出电压稳定。处理器由于其计算工作负载会发生变化，因此就必须保证其在所有负载条件下都得到严格稳压。在这种情况下，将输出电压反馈到PWM开关功能而使占空比发生改变的过程，必须要准确。大多数DC/DC转换器控制IC现在都包含完成功能，因此，非对于隔离结构，这个工作很容易完成。
但是，要使输入到输出保持隔离，需要使用变压器或光耦合器等额外的元件，这就会提高BOM成本以及对PCB空间的要求。使用更多的元件，还会增加设计的复杂性，进而可能影响最终产品的整体可靠性。
一种简单的稳压方法，是采用初级侧检测。这里，控制器IC在反激“关断”期间通过变压器检测更次级输出。Maxim MAX17687的“无光耦合”反激控制器式IC，就是一个很好的例子，见图7。它有两片上MOSFET，可以驱动3.2A的初级初级电流。
图7 ：Maxim MAX17687无光耦反激式转换器在16V到60V电源的条件下，可产生12V/750mA的输出。（图片来源：Maxim ）
通过采用这种检测方法，输出电压可稳定在±1.2%以内。该IC的PWM频率也可以编程(100kHz到500kHz)，并且通常可以实现超过90%的转换效率。
对于使用分立式DC/DC转换器，一种非常具有吸引力的替代方法就是使用模块。使用模块可以简化整体设计工作，从而节省工程时间。选择符合EMC/EMI和所需安全标准要求的预认证模块，还可以简化产品认证过程。
村田制作所的UWS-Q12裸板隔离式反激DC/DC转换器模块，就是一个很好的例子。该系列模块外壳3.3V到24V的常用标称单输出电压，在9V到36V输入的条件下可提供高达54W的功率，效率则高达91%。还具有广泛的保护功能，输入包括欠压保护和过热电路保护，并已通过UL/EN60950-1安全认证。
图8 ：村田制作所UWS-Q12系列隔离式DC/DC转换器。（图片来源：村田制作所）
如果在现有设计中替换掉低效率的线性稳压器，Traco TSR 1.5E系列这1.5A的器件，就非常方便。其采用降压非隔离式拓扑，可实现高达97%的效率，并可适应7V到36V的宽输入工作电压范围。小尺寸的SIP 3裸板模块，提供了第三输出选择：3.3V、5.0V和12V。
与标准的同步降压技术相比，德州仪器(TI)的DCS-Control技术可实现更快的瞬态响应以及更好的稳压和纹波性。该转换器既可作为独立器件TPS6282x供货，也可作为带集成式示波器的模块TPSM8282x供货，参见图9。
图9 ：TI的TPSM82821降压转换器模块，集成了TPS6282x控制器IC 。（图片来源：TI ）
简单的电源转换
本文讨论了最流行的 DC/DC 电源转换拓扑，并重点介绍了一些产品示例。对于 DC/DC 电源转换，转换器 IC 是节省空间和降低 BOM 成本的首选。集成了开关晶体管或 FET 的小型电源转换器 IC，可广泛覆盖许多工业、商业和产品应用中。然而，带有集成式转换器的 DC/DC 转换模块，则可提供一种易于集成和采购的、非常具有效益的替代方案。
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