2021年1月16日 星期六

DC-DC Converter

DC/DC 轉換器將一個直流電壓轉換成另一個直流電壓,Step-Down 或 Buck 轉換器提供降壓,而 Step-Up 或 Boost 轉換器提供升壓。DC/DC 轉換器用來穩定電壓,所以稱為 voltage regulator,分成 Linear 和 Switching 兩類。

Linear Regulator 控制線性元件 (電晶體線性範圍,像是可變電阻) 來調整壓降,電路簡單、雜訊低,只能降壓,轉換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比,效率差需要散熱,一般用於低壓差,小功率的場合。

Switching Regulator 以高速脈波方式調整電晶體開關導通和斷開的時間比例,只傳送需要的電能,再用電感、電容等元件平整輸出,可以升壓降壓、升降壓或反相,效率高,但電路較複雜、雜訊較高,又分成電感式切換和無電感的電容式切換 (Charge Pump)。

電感式切換有 synchronous 和 asynchronous (diode rectification) 兩種整流方法,可透過 transformer 提供隔離或輸出多種電壓。(電容式切換沒有兩種整流方法?) 電源轉換效率最高,但電源潔淨度卻也最難掌控,電路涉及電感線圈的配置佔用面積最大,為了縮小電感,多半將切換頻率拉高達 MHz 以上。

Charge Pump 切換過程只用電容未用電感,電源轉換效率較 Linear 高,但仍不如電感式切換,供電力也較小,產生電源的潔淨度未如 Linear Regulator 理想。適合低電流、中度壓差。雖能夠升壓、降壓、反相,但多數的運用情況皆在升壓,


Linear Regulator
Switching Regulator
Charge PumpInductive
轉換效率20-60%75-90%90-95%
transient responsefast?slowslower
Ripple很低
EMI很低
PCB 面積很小最大
價格最低中等最高

參考

  1. https://www.rohm.com/electronics-basics/dc-dc-converters/operating-principles-linear-regulators
  2. https://training.ti.com/zh-tw/power-fundamentals-dcdc-fundamentals
  • closed-loop control

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