关于DC-DC转换器的一些基本设计知识

（文章来源：贸泽电子）

当Allesandro Volta用铜和锌盘以及浸有盐水的纸板制成电池时，当时只是一个新奇的产品，而这种低功率直流电（DC）实际应用却很少。随着对于电力有了更深入的理解，人们发现旋转磁铁可以在电线中感应出交流电流（AC），随之而来就打开了发电的世界。 交流电适用于照明、加热和驱动电机，并且通过使用变压器，其电压可以升高和降低。

后来DC开始得到一些应用。与AC不同的是，DC的电荷可以存储在电池或电容器中。例如，曾经用这些储存的电荷为第一部电话供电，后来的电话设计才可以通过线路获取电力。如果您想要特定的直流电压，可以将电池串联起来。如果您确实需要高功率直流电，可以在其间使用具备机械传动装置的直流电动机－发电机组，从而可以产生不同的电压。

随着新电子产品的不断出现，需要不同的直流电平，例如真空管的150V，工程师们也开始考虑如何能够上下转换直流电压，DC－DC转换器的概念由此诞生。当今的DC－DC转换器应用分为不同类别：隔离式和非隔离式，升压和降压型或兼而有之的升降压型。市场也可提供具备特定功率水平和功能的模块，其中许多已成为一般“商用”部件。

让我们首先定义“隔离”的含义：如果在输入和输出之间存在电气连接（通常是接地），则该部件是非隔离式。隔离部件有一个内部变压器，在输入和输出之间以磁性方式传递能量，因此输出可以相对于输入“浮动”。我们稍后会考虑隔离等级。还有其他种类的稳压器，如可以产生负输出电压（降压升压）和可以产生高于或低于正输入电压输出的“SEPIC”电路。这在电池供电应用中非常有用，其中的负载电压在电池放电时需要保持恒定。

模块化升压转换器不太常见，这里的一个例子是来自GE Critical Power的ABXS002A3X41－SRZ，它能够将8～16V输入转换为16～34V输出，输出电流为2．3A，模块尺寸为27．9 x 11．4mm。

非隔离式DC－DC转换器通常被称为“负载点（PoL）”转换器，因为它们可以直接用于处理器或FPGA的典型负载上，以便使负载电压尽可能精确。最复杂的类型具有数字控制等许多特性，因此性能可以“运行中（on the fly）”调整，以适应负载条件变化，通常可使用标准协议（如PMBusTM）的I2C线路进行设置。电压稳压器模块（VRM）是一种能够满足IC制造商特定要求的特殊类型PoL，例如来自Intel的类似产品。

由于各种不同的原因，可能都需要隔离。通常可以方便地将输入和输出接地分开，以便使电流路径分离，而不会相互作用。一个常见的应用是为RS485接口供电电路，用于驱动器的隔离电源轨能够阻止在主机接地和连接设备之间的电流流动。

具有“浮动”输出还能使负载接地点连接到任意一个DC－DC输出终端，例如，通过将正输出连接到地，可以将浮动12V配置为－12V。同样，12V可以“叠加（stacked）”在另一个电压上，比如输入12V，以提供24伏的总电压，这可能对小型电机驱动很有用。通过变压器的功率耦合也可以提供一定程度的抗EMI性能，特别是针对本地接地线上产生的共模噪声。

进行隔离的一个重要原因通常是安全需要。您可能认为，如果一个DC－DC转换器有较低的输入和输出电压，安全不是问题。然而，DC－DC中的隔离层通常被用作更广泛隔离系统的一部分，以实现整体安全额定值。一个极端的例子是医疗市场的“病人连接”应用，在这种应用中，DC－DC转换器必须针对最高系统电压（可能为230VAC）具备完全的医疗级额定隔离。其中的原因是，与患者相连的其他设备可能因为这种施加的危险电压而失效。DC－DC可以使危险的电流通过“未指定的连接路径”流回原设备，因此它必须具有高等级的隔离。

在适当的系统电压下，能够适合这种医疗应用规范的DC－DC转换器应该注明具有两个 “患者保护措施（MOPPS）”，如来自Traco Power的THM 30WI 系列。

许多DC－DC转换器的宣传资料把一个隔离额定值简单地叫做一个电压值，例如3kVDC，用户应特别小心，因为这只是工厂的“测试”电压，虽然这是一个衡量隔离坚固性的指标，除非特定的安全机构将其隔离等级限定为“基本”、“加强”或医疗“保护措施”等级别，否则不应将DC－DC转换器用于安全隔离系统。即使引用了“EN60950加强型”等标准，也必须指定系统电压，30VAC系统电压时的加强型如果用在230VAC系统中作为安全屏障将毫无价值。

隔离式DC－DC转换器有多种形式，最简单的低功率型通常没有调节，只是“比例式”转换器，即输出随输入成比例变化。这些部件成本低，可用于为接口或模拟电路提供“点（spot）”电压。不过，由于它们的空载输出电压可能远高于额定值，因此通常具有最低负载要求。这些部件在额定负载下效率很高，但在轻载时效率要低很多，甚至可能低于50％。经过精心设计，这些类型DC－DC转换器可以提供高性能和良好的机构额定隔离值，如Murata 公司的2W表面贴装NXJ2系列。

具有主动调节功能的DC－DC转换器可以承受输入和负载的变化，同时保持严格的输出电压调节。2：1的输入变化曾经是一个标准，如18－36V，但现在的元器件可用于更广泛的5：1输入，甚至更大，如来自BEL Power的CM1901－9RG，该产品适用于具有极端输入下降和浪涌的电源轨应用。

（责任编辑：fqj）