原创 DC/DC 电源设计架构

DC/DC converter

故名思義這種電路的作用為，將輸入的直流電壓，做電壓準位的調節（升壓或降壓），並使之穩定在所設定的電壓數值，一般常需將輸入級和輸出級利用變壓器做電氣隔離，它和交流對直流轉換器(AC to DC Converter)比較起來，只是少了輸入側的整流器及功因矯正器，因此一般"中央式"電源供應器的架構（現今一般PC皆是屬於這種型式的電源）如圖1，直流對直流轉換器並不單獨存在，但在新一代"分散式"電源系統中如圖2，則將前級輸出定義為一固定+48V的電壓，之後再依電腦系統中個別電源的需求（CPU、RAM、HD、….^ ，來連接對應的直流對直流轉換器。分散式電源和中央式電源系統的比較，我們將另做探討。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

圖1 中央式電源供應器架構

圖2 分散式電源供應器架構

雖然依不同的電源需求，可延伸出許多不同型態的直流對直流轉換器，但其皆源自於以下兩種基本的電路拓撲:
(1).降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)
(2).昇壓式轉換器(Boost/Step Up Converter)

以下我們將簡單說明、分析，這兩種基本直流對直流轉換器的特性及工作原理，並藉由這兩種轉換器，來衍生出其他不同的轉換器形式，如順向式、反馳式、昇降壓式、橋式…….等，。

(1)降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)

電路如圖3(a)，其中以理想開關來取代半導體開關元件（如Power MOSFET），並假設所有元件的特性皆為理想，則當開關切入時，等效電路如圖5(a)所示，此時電感電壓 ，為 因此電流上升斜率為 ，直到開關打開( )為止，當開關打開後電路為維持電流連續，則迫使二極體D 導通，電路等效為圖5(b)，此時電感電壓為 ，因此電流下降斜率為 ，直到電路再度將開關導通()為止，根據上述原理可推導得如下輸出電流方程式。

由伏秒平衡原理可推得

(a)降壓式轉換器電路架構




(b)波形
圖3 (a)電路架構 (b) 波形

假設電路不損耗能量則

由(1.4)可知我們可藉由改變工作週期D，來調節輸出電壓，又因為 0 < D < 1，因此輸出電壓將小於輸入電壓，故此種電路稱為"降壓式"轉換器。但須注意本電路並不提供電氣隔離，故若需使得輸入輸出不共地，則需加入變壓器來達成隔離的效果，如圖6所示為一順向轉換器，就是如此衍生出來，其原理和前述相同，並可類推得如下結果。

(2)昇壓式轉換器

電路如圖7所示，當開關切入時，等效電路如圖9(a)，此時電感電壓為 ，因此電流上升斜率為，電流持續上升，直到開關打開( )為止，當開關打開後，電路為維持電流連續，則迫使二極體 D 導通，等效為圖9(b)，此時電感電壓為 ，因此電流下降斜率為 ，直到電路再度將開關導通( )為止，根據上述可推如下得電流方程式。

由伏-秒平衡原理可推得

假設電路不損耗能量則

由(2.4)得知，藉由改變工作週期，可調節輸出電壓，又因為 故輸出電壓將恆大於輸入電壓，故名為"昇壓"式轉換器。但須注意本電路和降壓轉換器一樣，並不提供電氣隔離，故若需使輸入輸出不共地，則需加入變壓器來達成隔離的效果，圖10所示為一反馳式轉換器，就是如此衍生出來的，其原理和前述相同，可類推得如下結果。