大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換。當(dāng)電池失去電荷時(shí)，電壓會下降。某些DC-DC轉(zhuǎn)換可確保電池中更多儲存的能源用于為電路供電。此外，如果我們使用110 V交流線路，則無法直接為微控制器等半導(dǎo)體供電。由于每個(gè)電子系統(tǒng)幾乎都使用電壓轉(zhuǎn)換器（也稱為電源），因此多年來，它們針對不同的用途進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)然，優(yōu)化目標(biāo)通常是解決方案尺寸、轉(zhuǎn)換效率、EMI和成本。

簡單的電源：LDO其中一種簡單的電源形式是低壓差(LDO)穩(wěn)壓器。LDO是與開關(guān)穩(wěn)壓器相對的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個(gè)可調(diào)電阻，這意味著不管輸入電壓如何變化，哪個(gè)負(fù)載電流正在通過設(shè)備，輸出電壓都是固定的。圖1顯示了該簡單電壓轉(zhuǎn)換器的基本原理。

圖1. 線性穩(wěn)壓器將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。

多年來，典型電源轉(zhuǎn)換器都是由一個(gè)50 Hz或60 Hz的變壓器組成，連接到電網(wǎng)，以一定的繞線比產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出電壓，比系統(tǒng)中需要的電源電壓高幾伏。然后使用線性穩(wěn)壓器將此電壓轉(zhuǎn)換為電子產(chǎn)品所需的穩(wěn)定調(diào)節(jié)的電壓。圖2顯示了此概念的方框圖。

圖2. 線路變壓器后跟線性穩(wěn)壓器。

圖2中基本設(shè)置的問題在于50 Hz/60 Hz變壓器體積相對較大且價(jià)格昂貴。此外，線性穩(wěn)壓器還散發(fā)大量的熱量，因此系統(tǒng)總效率低，并且由于系統(tǒng)功率高，很難消除產(chǎn)生的熱量。

開關(guān)模式電源助一臂之力為了避免圖2所示的電源的缺點(diǎn)，發(fā)明了開關(guān)模式電源。它們不依賴于50 Hz或60 Hz交流電壓，而是采用直流電壓，有時(shí)采用整流交流電壓，產(chǎn)生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或在非隔離系統(tǒng)中，使用LC濾波器整流電壓，以產(chǎn)生直流輸出電壓。優(yōu)點(diǎn)是解決方案尺寸小，成本相對較低。產(chǎn)生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。簡單的PWM信號波形就能很好地工作，并且可使用PWM發(fā)生器和開關(guān)輕松生成。

直到2000年，雙極性晶體管都是常用的開關(guān)。它們性能不錯(cuò)，但是開關(guān)轉(zhuǎn)換速度相對較低。功效也不高，開關(guān)頻率限制為50 kHz或100 kHz。如今，我們使用開關(guān)MOSFET代替雙極性晶體管，開關(guān)轉(zhuǎn)換速度要快得多。反過來，開關(guān)損耗也更低，開關(guān)頻率高達(dá)5 MHz。這樣高的開關(guān)頻率支持功率級使用非常小的電感和電容。

開關(guān)穩(wěn)壓器帶來了很多優(yōu)勢。它們通常提供高功效電壓轉(zhuǎn)換，允許升壓和降壓，并提供相對緊湊且低成本的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程復(fù)雜，開關(guān)轉(zhuǎn)換和開關(guān)頻率還會產(chǎn)生EMI。開關(guān)模式電源穩(wěn)壓器以及 LTpowerCAD和 LTspice等電源設(shè)計(jì)工具的面市極大地簡化了這個(gè)困難的設(shè)計(jì)過程。利用這些工具，開關(guān)模式電源的電路設(shè)計(jì)過程可實(shí)現(xiàn)半自動化。

電源中的隔離在設(shè)計(jì)電源時(shí)，要回答的個(gè)問題是是否需要電氣隔離。使用電氣隔離有多個(gè)原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動系統(tǒng)操作，防止嘈雜的接地電流在一個(gè)電路中通過不同的電子設(shè)備傳播。常見的兩種隔離拓?fù)涫欠醇まD(zhuǎn)換器和正激轉(zhuǎn)換器。但是，對于較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓?fù)洹?/p>

如果不需要電氣隔離，則大多數(shù)情況下使用非隔離拓?fù)?。隔離拓?fù)淇偸切枰儔浩鳎@種設(shè)備往往昂貴而笨重，并且滿足定制電源所需的確切需求的現(xiàn)成設(shè)備通常很難得到。

不需要隔離時(shí)的大多數(shù)常見拓?fù)涑Ｒ姷姆歉綦x開關(guān)模式電源拓?fù)涫墙祲恨D(zhuǎn)換器。也稱為降壓型轉(zhuǎn)換器。它接受正輸入電壓，并生成低于該輸入電壓的輸出電壓。它是三個(gè)基本開關(guān)模式電源拓?fù)渲械囊粋€(gè)，只需要兩個(gè)開關(guān)、一個(gè)電感和兩個(gè)電容。圖3顯示了此拓?fù)涞幕驹?。高端開關(guān)從輸入端發(fā)出脈沖電流，生成一個(gè)開關(guān)模式電壓，在輸入電壓和地電壓之間交替。LC濾波器在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上獲取該脈沖電壓，生成一個(gè)直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開關(guān)的PWM信號的占空比，生成不同電平的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器具有很高的功效，相對容易構(gòu)建，并且需要的組件很少。

圖3. 簡單降壓轉(zhuǎn)換器的概念。

降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端發(fā)出脈沖電流，而輸出端有來自電感的連續(xù)電流。這就是為什么降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端噪聲很大，而在輸出端噪聲不那么大的原因。需要設(shè)計(jì)低噪聲系統(tǒng)時(shí)，了解這一點(diǎn)很重要。

除了降壓拓?fù)?，第二個(gè)基本拓?fù)涫巧龎和負(fù)洹Ｉ龎和負(fù)涫褂门c降壓拓?fù)湎嗤奈鍌€(gè)基本功率元件，但經(jīng)過了重新排列，將電感放在輸入端，高端開關(guān)放在輸出端。升壓拓?fù)溆糜趯⒁粋€(gè)輸入電壓升高到高于該輸入電壓的輸出電壓。

圖4. 簡單升壓轉(zhuǎn)換器的概念。

選擇升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，務(wù)必注意，升壓轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)手冊中始終指定額定開關(guān)電流，而非輸出電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)電流直接與可實(shí)現(xiàn)輸出電流相關(guān)，與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關(guān)。在升壓穩(wěn)壓器中，電壓比直接影響基于固定開關(guān)電流的可能輸出電流。選擇合適的升壓穩(wěn)壓器IC時(shí)，不僅要知道所需的輸出電流，而且要知道開發(fā)中設(shè)計(jì)的輸入和輸出電壓。

升壓轉(zhuǎn)換器在輸入端的噪聲很低，因?yàn)榕c輸入連接一致的電感可防止電流快速變化。但是，在輸出端，這種拓?fù)涞脑肼暰秃艽蟆Ｎ覀冎豢吹矫}沖電流流過外部開關(guān)，因此相比降壓拓?fù)?，更關(guān)注輸出紋波。

第三個(gè)基本拓?fù)涫欠聪嘟祲?升壓轉(zhuǎn)換器，僅由五個(gè)基本元件組成。該轉(zhuǎn)換器獲取正輸入電壓，并將其轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓，名稱由此而來。除此之外，輸入電壓還可能高于或低于反相輸出電壓的。例如，–12 V輸出電壓可能從輸入端的5 V或24 V中產(chǎn)生。不進(jìn)行任何特殊電路修改也可能會發(fā)生這種情況。圖5顯示了反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路概念。

圖5. 簡單反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的概念。

在反相降壓-升壓拓?fù)渲?，電感從開關(guān)節(jié)點(diǎn)接地。轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端都有脈沖電流，因此這種拓?fù)涞妮斎攵撕洼敵龆说脑肼暰^大。在低噪聲應(yīng)用中，這種特性通過添加額外的輸入和輸出濾波來補(bǔ)償。

反相降壓-升壓拓?fù)涞囊粋€(gè)有利方面是任何降壓開關(guān)穩(wěn)壓器IC都可用于這種轉(zhuǎn)換器。只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統(tǒng)接地即可。降壓IC電路接地將成為經(jīng)過調(diào)整的負(fù)電壓。這一特性使得市場上的開關(guān)穩(wěn)壓器IC的選擇范圍很大。

專門的拓?fù)涑饲懊嬗懻摰娜N基本非隔離開關(guān)模式電源拓?fù)渫猓€有很多拓?fù)淇捎?。但是，它們都需要額外的電源組件。這通常會增加成本，并降低電源轉(zhuǎn)換效率。雖然存在某些例外情況，但在電源路徑中添加額外的組件通常會增加損耗。一些常用拓?fù)浒⊿EPIC、Zeta、?uk和4開關(guān)降壓-升壓。它們都有三種基本拓?fù)渌痪邆涞墓δ堋Ｏ旅媸敲糠N拓?fù)涞闹匾δ芰斜恚?/p>

SEPIC：SEPIC可從高于或低于輸出電壓的正輸入電壓產(chǎn)生正輸出電壓。升壓穩(wěn)壓器IC可用于設(shè)計(jì)SEPIC電源。此拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是需要第二個(gè)電感或一個(gè)耦合電感以及一個(gè)SEPIC電容。

Zeta：這Zeta轉(zhuǎn)換器類似于SEPIC，但能夠產(chǎn)生正或負(fù)輸出電壓。而且，它沒有右半平面零點(diǎn)(RHPZ)，由此簡化了調(diào)節(jié)環(huán)路。降壓轉(zhuǎn)換器IC可用于此類拓?fù)洹?/p>

?uk：?uk轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。它使用兩個(gè)電感，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，因此輸入和輸出端的噪聲都很低。缺點(diǎn)是沒有很多開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換IC支持這種拓?fù)?，因?yàn)檎{(diào)節(jié)環(huán)路需要負(fù)電壓反饋引腳。

4開關(guān)降壓-升壓：這種轉(zhuǎn)換器類型近年來變得非常流行。它從正輸入電壓提供正輸出電壓。輸入電壓可能高于或低于經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。這種轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率更高，并且只需要一個(gè)電感，因此取代了很多SEPIC設(shè)計(jì)。

常用隔離拓?fù)涑朔歉綦x拓?fù)渫猓恍?yīng)用需要電氣隔離電源轉(zhuǎn)換器。原因可能是出于安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統(tǒng)中需要有浮動接地，或者在噪聲敏感應(yīng)用中需要防止接地電流環(huán)路。常見的隔離轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫欠醇まD(zhuǎn)換器和正激轉(zhuǎn)換器。

反激轉(zhuǎn)換器通常用于高達(dá)60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電能存儲在變壓器中。在斷開時(shí)，該電能釋放到轉(zhuǎn)換器的副邊，為輸出供電。這種轉(zhuǎn)換器容易構(gòu)建，但需要相對較大的變壓器來存儲正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓?fù)鋬H限于較低的功率電平。圖6的頂部顯示了反激轉(zhuǎn)換器，底部顯示了正激轉(zhuǎn)換器。

圖6. 反激轉(zhuǎn)換器（頂部）和正激轉(zhuǎn)換器（底部）。

除了反激轉(zhuǎn)換器，正激轉(zhuǎn)換器也很流行。它使用變壓器的方式與反激轉(zhuǎn)換器不同。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，雖然有電流流過繞組，但也有電流流過二次繞組。電能不應(yīng)存儲在變壓器線圈中。在每個(gè)開關(guān)周期后，我們都必須確保線圈的所有磁化釋放到零，使得變壓器在若干開關(guān)周期后不會飽和。利用幾項(xiàng)不同的技術(shù)就可以從線圈中釋放電能。一種常用方式是使用帶有小型額外開關(guān)和電容的有源鉗位。