AC/DC、DC/DC转换器基础指南(二)

一、DC/DC转换器

何谓DC/DC转换器?

DC/DC转换器是一种将DC(直流)转换为DC(直流)的元件,具体是指利用DC(直流)转换电压的元件。IC等电子元件各自的工作电压范围不同,因此需要转换为相应的电压。

生成电压低于初始电压的转换器被称为"降压转换器";生成电压高于初始电压的转换器被称为"升压转换器"

名称说明

DC/DC转换器是指将直流转换为直流的装置的名称。它常被称为线性稳压器或开关稳压器等,以转换方式的名称命名。
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降低电压的电源装置 降压转换器、Buck转换器、Step‒down转换器
提高电压的电源装置 升压转换器、Boost转换器、Step‒up转换器
升降电压的电源装置 升降压转换器、Buck-Boost转换器
生成负电压的电源装置 负电压转换器、反转转换器、逆变转换器

为何需要DC/DC转换器?

插入插座进行工作的电气产品需要使用将AC(交流)100V转换为DC(直流)“AC/DC转换器”

这是因为大部分半导体部件只能在DC下工作。

整机电路板上搭载的IC等具有各自固有的工作电压范围,电压精度要求也不同。

通过电压不稳的电源等供电会导致误动作或特性劣化等异常。

因此,需使用 “DC/DC转换器” 转换为所需的电压并实现稳定化。
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通过DC/DC转换器实现电压稳定的装置被称为电压稳压器。

二、电源IC种类

电源IC大致分为线性稳压器和开关稳压器两种。
作为其各自的输出形式,线性稳压器仅可降压输出比输入电压低的电压。
开关稳压器则具有自由度,输出形式包括以下4种:

・降压输出比输入电压低的电压
・升压输出比输入电压高的电压
・升降压输出恒定电压,与输入电压的高低无关
・从正电压反转输出负电压

而且,开关稳压器的整流方式有同步整流非同步整流(二极管整流)。

【电源IC种类】
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线性稳压器和开关稳压器

通过DC/DC转换器实现电压稳定的装置被称为电压稳压器。
按转换方式,电压稳压器分为线性稳压器和开关稳压器2种类型。

因工作时输入与输出的关系呈线型,故被称为"线性稳压器"。
因输入与输出间串联有控制元件,有时也被称为"串联稳压器"。

线性稳压器
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通过控制元件降压,因此输入与输出的电压差(降压程度)越大损耗就越大,效率也越低。因此适用于小功率的电源。

优点 缺点
电路简单 效率低
外接部件少 发热大
噪音小 仅降压型转换器

开关稳压器

接通开关元件(MOSFET),从输入端向输出端供电,直至输出电压达到所需电压。
输出电压达到规定值后,开关元件即关闭,不再消耗输入功率。
通过高速重复这一动作,将输出电压调节到规定值。
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优点 缺点
效率高 外置部件多
发热小 设计困难
可实现升压/降压/负电压的转换 噪音大

线性稳压器的工作原理

一般的引脚构成:线性稳压器基本上由VIN (输入)、VO (输出)、GND (接地)三个引脚构成。
在输出可变的线性稳压器上添加了用于反馈输出电压的FB(反馈引脚)。
简单来说,电压固定型是内置了电压可变型的外接电阻的稳压器。

线性稳压器的内部电路概要如下图所示。
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其工作原理与反相放大电路相同,误差放大器的非反相引脚(FB)电压与基准电压 (VREF) 相同,因此输出电压值(VO)由两个电阻(R1R2)的阻值比决定。

Vo=[ (R1+R2) / R2 ] x VREF

下图的输出晶体管为MOSFET,不过也有使用双极晶体管的产品。
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线性稳压器的分类

线性稳压器按功能进行分类时,首先可分为正电压用和负电压用两种。
根据使用电路不同,也有不需要正电源,而需要负电源的产品。
若只有正侧电源,则不能处理接地电位以下的电压,不能将晶体管的输出引脚的电压分配至负电平。将控制晶体管装入负输出线,从而产生负电压。

【按功能分类】
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其次,还可分为电压固定型和电压可变型两种。固定型由输入、输出、GND三个引脚构成,内置有输出电压设定用电阻。
可变型为GND基准型时,添加反馈引脚变成四个引脚。可变型中也有无GND引脚的浮动工作型,这种情况为三个引脚。

电压固定型和电压可变型之后还可分为标准型LDO两种。
LDOLow Dropout的缩写,是降低了输入输出间电位差的线性稳压器。
标准型的输入输出间电位差最低也有约2V,而LDO可控制在1V以下。

何谓LDO?

LDO即使较低的输入输出间电位差也可进行工作的线性稳压器。有时也称为低损耗型线性稳压器或低饱和型线性稳压器。
关于LDO的输入输出间电位差并无数值性的定义,一般是指稳压器稳定工作时最低电位差可控制在1V以下的稳压器。
例如,对于需要3.3V电源的IC,由于标准型不可制作5V到3.3V电源,因此,需要输入输出间电位差较低的LDO
这样,LDO在输出与标准型稳压器相同的电压时,也可设定较低的输入电压。
通过低电位差工作,可使能量损耗较少,可进行抑制散热等设计。

在线性稳压器的内部,从VIN到VO间加入了晶体管,使此晶体管稳定工作所需的输入输出间最低电位差称为压降。
输入输出间电压差低于压降时,晶体管难以维持稳定的工作,输出电压会降低。
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这样,为了使含有LDO的线性稳压器工作,设定了所需的最低输入电压值,此时(VO + 压降) 即为稳压器的最低工作电压值。
输入电压值 (VIN)低于最低工作电压时,输出电压不能稳定工作。

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