倒置降壓拓撲在 小功率AC/DC轉(zhuǎn)換 中相比 反激拓撲 具有以下優(yōu)勢：

效率更高

倒置降壓拓撲通過優(yōu)化開關(guān)波形和濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，尤其在非隔離場景下效率表現(xiàn)更突出。 ?

物料清單更少

其結(jié)構(gòu)僅包含兩個開關(guān)元件、一個功率電感器和兩個電容器，相比反激拓撲減少了變壓器等元件的使用，降低了BOM成本。 ?

適用場景更靈活

適用于不需要隔離的場景(如智能燈開關(guān)等)，通過初級側(cè)調(diào)節(jié)控制器可實現(xiàn)低側(cè)FET驅(qū)動，簡化設(shè)計并降低復(fù)雜度。 ?

輸入電壓范圍更寬

磁性元件(功率電感器)設(shè)計可處理較寬的輸入電壓范圍，提升了產(chǎn)品的通用性和可靠性。 ?

對于離線電源來說，反激拓撲是一種合理的解決方案。但是，如果設(shè)計的終端應(yīng)用不需要隔離，那么與之相比，離線倒置降壓拓撲具有更高的效率，并且BOM數(shù)量更少。這篇電源設(shè)計的文章，將會探討倒置降壓對于小功率AC/DC轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。

離線式電源是最常見的電源之一，也稱為交流電源。隨著越來越多的產(chǎn)品將典型的家庭功能集成在內(nèi)，業(yè)界對輸出能力在1W以下的小功率離線轉(zhuǎn)換器的需求也越來越大。對于這些應(yīng)用，最重要的設(shè)計方面是效率、集成和低成本。

在決定拓撲結(jié)構(gòu)時，反激拓撲通常是任何小功率離線轉(zhuǎn)換器的首選。但是，如果不需要隔離，這就可能不是最好的方法。假設(shè)終端設(shè)備是一個智能燈開關(guān)，用戶可以通過智能手機的app進行控制，那么在這種情況下，用戶在操作過程中不可能接觸到暴露的電壓，因此就不需要隔離。

對于離線電源來說，反激拓撲是一種合理的解決方案，因為其物料清單(BOM)數(shù)量較少，只有少數(shù)功率級元件，并且變壓器在設(shè)計上可以處理較寬的輸入電壓范圍。但是，如果設(shè)計的終端應(yīng)用不需要隔離呢?如果是這樣的話，考慮到輸入是離線的，設(shè)計人員可能仍然想要使用反激拓撲。帶集成式場效應(yīng)晶體管(FET)和初級側(cè)調(diào)節(jié)的控制器可以創(chuàng)建小型的反激解決方案。

首先，來簡要了解一下AC(交流)和DC(直流)這兩個概念。AC，即Alternating Current(交流)，是一種電流形式，其大小和極性(方向)會隨著時間的推移而周期性地變化。 這種周期性變化的頻率，以Hz為單位進行衡量，表示電流極性在1秒內(nèi)變化的次數(shù)。DC，即Direct Current(直流)，是一種電流形式，其顯著特點是極性(方向)保持不變，不會隨時間發(fā)生周期性變化。這種電流的流動極性(方向)和大小都保持穩(wěn)定，不會隨時間產(chǎn)生波動。

雖然紋波電流(Ripple current)的流動極性不隨時間變化，但其電流大小卻會隨著時間的推移而發(fā)生周期性變化。 然而，這并不影響其被歸類為DC(直流)電流。

AC/DC轉(zhuǎn)換器，顧名思義，是一種將AC(交流電壓)轉(zhuǎn)換為DC(直流電壓)的電子元件。在家庭住宅和樓房中，我們通常接收到的電壓為100V或200V的AC電壓，而大部分電器設(shè)備則需要在5V或3.3V的DC電壓下才能正常工作。因此，AC/DC轉(zhuǎn)換器的存在顯得尤為重要，它能夠確保電器設(shè)備得到所需電壓，從而使其能夠正常運作。

電機和燈泡等某些產(chǎn)品雖然可以使用交流電壓驅(qū)動，但與微控制器控制電路相連的電機以及節(jié)能LED燈泡都需要進行AC/DC轉(zhuǎn)換。 那么，為何傳輸?shù)氖茿C電壓而不是DC電壓呢?

有人可能會提出疑問：“既然電器最終使用的是DC，那為何不直接傳輸DC?”這主要是因為電力通常來自水力、火力或核能發(fā)電站，這些發(fā)電站往往位于偏遠地區(qū)，如山區(qū)或沿海。將這些地區(qū)的電力傳輸?shù)绞袇^(qū)，AC電壓相較于DC電壓具有顯著的優(yōu)勢。

具體來說，AC電壓可以通過高電壓、低電流的方式進行傳輸，從而大大減少傳輸過程中的能量損耗。 然而，對于家庭使用而言，由于不能直接使用高電壓，因此需要通過多個變電站進行逐步降壓，最終轉(zhuǎn)換為100V或200V的AC電壓供家庭使用。這種轉(zhuǎn)換過程相對簡單，因此我們選擇傳輸AC電壓。

一個高效的電子系統(tǒng)離不開一個強大且可靠的電源系統(tǒng)來提供能量支持。為了滿足電子電路中各種負載的電源需求，必須通過合理配置元器件來構(gòu)建完整的電源架構(gòu)，這就是電源管理的核心任務(wù)。在眾多電源管理場景中，DC-DC轉(zhuǎn)換器以其獨特的優(yōu)勢脫穎而出，成為應(yīng)用最為廣泛的電源管理方式之一。

DC-DC轉(zhuǎn)換器，也被稱為穩(wěn)壓器，其工作原理是通過控制電路對開關(guān)管(二極管或三極管)進行控制，利用電感線圈和電容等元器件的協(xié)同作用，將輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上。這種通過開關(guān)動作進行電壓轉(zhuǎn)換的特性，使得DC-DC轉(zhuǎn)換器在降壓、升壓和升降壓等多種操作中都能發(fā)揮出色。特別是在降壓方面，DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用場景極為廣泛，任何需要將系統(tǒng)電壓降低至可用水平的場合，都需要它的參與。此外，在復(fù)雜的配電系統(tǒng)中，通過多次DC-DC降壓轉(zhuǎn)換操作，不僅可以提高系統(tǒng)效率，還能簡化整體架構(gòu)。

接下來，我們將深入探討如何選擇適合的降壓DC-DC電源管理器件。

不同的降壓DC-DC類型

在電源設(shè)計中，降壓DC-DC常常與線性穩(wěn)壓電源(LDO)一同被提及。盡管LDO具有電路簡單、成本低廉以及快速負載響應(yīng)等優(yōu)點，但降壓DC-DC在高效率、寬輸入工作電壓范圍、大電流和功率支持，以及靈活可調(diào)的輸出電壓方面表現(xiàn)更為出色。因此，在選擇時，工程師需綜合考慮這些因素。有時，為了充分利用兩者的優(yōu)勢，可能會選擇將它們結(jié)合起來使用，例如在DC-DC后端加入LDO以優(yōu)化開關(guān)DC-DC的精度并降低噪聲。

然而，降壓DC-DC的應(yīng)用更為廣泛，產(chǎn)品類型也更為多樣。這使得在選型過程中，工程師需要更加謹慎地評估不同類型的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

首先，根據(jù)電壓調(diào)制方式，降壓DC-DC可分為PFM(脈沖頻率調(diào)制)和PWM(脈沖寬度調(diào)制)兩種類型。PFM通過改變脈沖輸出頻率來控制輸出電壓，輕負載時效率較高，但噪聲消除較困難。而PWM則通過改變脈沖輸出寬度來控制輸出電壓，具有更好的輸出電壓紋波和噪聲特性，但重負載時的開關(guān)損耗相對較高。

因此，在選擇降壓DC-DC時，必須根據(jù)具體應(yīng)用需求和設(shè)計約束來綜合考慮這些因素，以做出最合適的選擇。

也有一些先進的電源管理器件融合了PFM和PWM兩種控制方式的優(yōu)點，它們在重載和穩(wěn)定狀態(tài)下采用PWM方式以實現(xiàn)優(yōu)異的輸出電壓紋波和噪聲特性，而在輕載時則智能切換到PFM方式以提高效率。這種設(shè)計無疑對提升電源系統(tǒng)的整體性能大有裨益。然而，在實際應(yīng)用中，工程師應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計需求和約束來仔細權(quán)衡并選擇合適的控制方法。

接下來，我們探討降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出反饋方式。為了維持電壓的穩(wěn)定，這類轉(zhuǎn)換器會將輸出反饋至控制電路，這主要分為電壓模式控制、電流模式控制和遲滯控制三種類型。

在電壓模式下，反饋環(huán)路主要反饋輸出電壓信號，這是最基本的方式。其優(yōu)點在于控制簡單、抗噪性好以及導(dǎo)通時間短;但缺點是相位補償電路較為復(fù)雜。

為了克服電壓模式控制的不足，電流模式控制應(yīng)運而生。它通過檢測電路電感或晶體管電流來替代電壓信號的采集，從而提高了穩(wěn)定性并簡化了相位補償電路，同時還加快了負載瞬態(tài)響應(yīng)。但這種方式的缺點是對電流檢測的敏感性較高，因此設(shè)計時需更加注意反饋環(huán)路的噪聲處理。

針對CPU、FPGA等對高速負載瞬態(tài)響應(yīng)有更高要求的電源應(yīng)用，遲滯控制被開發(fā)出來。它具有極快的瞬態(tài)響應(yīng)、高穩(wěn)定性以及無需相位補償?shù)膬?yōu)點;但缺點是開關(guān)頻率會有變動、抖動較大，且需要ESR較大的電容器來檢測紋波。

此外，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器在變壓器整流方式上還有異步整流和同步整流的區(qū)別。異步整流通過上側(cè)晶體管的開關(guān)來控制下側(cè)整流二極管的導(dǎo)通/關(guān)斷，這種方式電路簡單且可靠，在工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用中廣泛采用。而同步整流則將異步整流架構(gòu)中的下側(cè)二極管替換為晶體管，從而有效降低了輸出端開關(guān)的損耗并提高了效率;但需要注意的是，這種方式的電路更為復(fù)雜且需要確保上下兩側(cè)晶體管的同步性。

綜上所述，不同類型的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器都有各自獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。充分了解和比較這些特性將有助于工程師根據(jù)實際設(shè)計需求做出更加明智的選擇。

降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵參數(shù)詳解

在挑選降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器時，深入了解其各項參數(shù)至關(guān)重要，這直接關(guān)系到設(shè)計規(guī)格的滿足程度。以下是一些在選型過程中需要特別關(guān)注的參數(shù)：

輸入電壓范圍：確保所選器件能夠適應(yīng)系統(tǒng)中的電壓波動，穩(wěn)定工作。

輸出電壓和電流：明確所需的輸出電壓和電流值，選擇能夠精準提供的轉(zhuǎn)換器。

轉(zhuǎn)換效率：高效率的轉(zhuǎn)換器有助于降低能耗，提升系統(tǒng)性能。

響應(yīng)速度：對于需要快速響應(yīng)的電源應(yīng)用，選擇具有快速響應(yīng)特性的轉(zhuǎn)換器。

紋波抑制能力：良好的紋波抑制能力可以確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

尺寸和重量：考慮設(shè)備空間和便攜性要求，選擇合適尺寸和重量的轉(zhuǎn)換器。

安全特性：確保所選器件具備過流、過壓等保護功能，保障系統(tǒng)安全。

綜上所述，通過仔細查閱和比較這些關(guān)鍵參數(shù)，工程師將能夠更準確地選型出適合設(shè)計的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

輸入/輸出電壓

這是降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的核心參數(shù)，直接關(guān)系到其是否能夠滿足電源轉(zhuǎn)換設(shè)計的具體需求。一個優(yōu)秀的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，應(yīng)當(dāng)具備廣泛的輸入電壓適用范圍，同時提供靈活可調(diào)的輸出電壓，以確保設(shè)計的有效性。

輸出電流

降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的持續(xù)輸出電流能力是衡量其功率大小的關(guān)鍵指標(biāo)，同樣不容忽視。在選型過程中，為確保器件的安全與穩(wěn)定，應(yīng)充分考慮并預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔?，以防電流過大可能導(dǎo)致的損壞。

效率考量

降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率是其核心優(yōu)勢，同時也是評估其性能的重要指標(biāo)。為了提升效率，設(shè)計者們往往進行多方面的優(yōu)化。然而，在選型時，我們不僅要注意滿載時的效率，還要關(guān)注輕載和重載情況下的效率表現(xiàn)，以確保轉(zhuǎn)換器在各種負載條件下都能保持高效穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

4. 開關(guān)頻率

開關(guān)頻率的高低對降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能有著顯著影響。較高的開關(guān)頻率往往使得電路中可以使用尺寸更小的輸出電容器和電感器等外圍元件，從而有助于設(shè)計的小型化。然而，頻率的提升也會帶來開關(guān)損耗和噪聲問題的加劇，因此在實際應(yīng)用中需要權(quán)衡利弊，采取相應(yīng)措施加以應(yīng)對。

5. 瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)特性主要衡量的是，在負載發(fā)生劇烈變化時，系統(tǒng)能否迅速作出調(diào)整，以維持輸出電壓的穩(wěn)定性。這一性能受到降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器自身架構(gòu)以及輸出電容特性(如容值和等效串聯(lián)電阻ESR)的共同影響。

6. 輸出紋波

輸出紋波是評價降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵指標(biāo)。它反映了在輕載或重載條件下，系統(tǒng)維持輸出電壓恒定的能力。通常情況下，輕載時的紋波幅度會相對較大，這要求轉(zhuǎn)換器具有良好的濾波特性以減小紋波的影響。

7. 線性穩(wěn)定度與負載穩(wěn)定度

線性穩(wěn)定度衡量的是當(dāng)輸入電壓發(fā)生變動時，輸出電壓能夠保持穩(wěn)定的程度。而負載穩(wěn)定度，則反映了輸出負載發(fā)生改變時，輸出電壓的相應(yīng)穩(wěn)定性。這兩個指標(biāo)都以百分比的形式呈現(xiàn)，數(shù)值越小，表示穩(wěn)定度越高。

8. 靜態(tài)電流

靜態(tài)電流，即在降壓DC-DC處于空載狀態(tài)下，由各模擬電路子模塊所產(chǎn)生的電流，它會導(dǎo)致靜態(tài)損耗。因此，降低靜態(tài)電流對于提升電源效率至關(guān)重要。而能否成功降低靜態(tài)電流，則成為衡量電源管理IC廠商設(shè)計和工藝水平的重要標(biāo)準。

9. 保護功能

為了確保降壓DC-DC能夠穩(wěn)定可靠地運行，設(shè)計中通常會集成OCP過流保護和OTP過熱保護等多種功能。這些保護措施在特定的外部條件觸發(fā)時啟動，并在這些條件消失后能夠自動恢復(fù)。

10. EMI抑制

由于降壓DC-DC的開關(guān)控制工作模式會產(chǎn)生較多噪聲，特別是在噪聲敏感型應(yīng)用中，必須采取有效措施來抑制電磁干擾(EMI)。

掌握上述關(guān)鍵參數(shù)后，降壓DC-DC器件的選型將變得更為直觀。通過對比器件特性與設(shè)計需求，您將能夠迅速找到合適的選擇。