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。



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。

(1.1)
(1.2)

由伏秒平衡原理可推得

(1.3)
(1.4)



(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

(1.5)
(1.6)

(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。

(1.7)
(1.8)



圖4 波形示意




(a)
sw-on 等效電路


(b)
sw-off 等效電路
圖5 (a) sw-on 等效電路 (b) sw-off 等效電路



圖6 順向式轉換器


(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。
(2.1)
(2.2)

由伏-秒平衡原理可推得
(2.3)
(2.4)

假設電路不損耗能量則
(2.5)
(2.6)



圖7 升壓轉換器電路架構





圖8
波形示意




(a)
sw-on 等效電路


(b)
sw-off 等效電路
圖9 (a) sw-on 等效電路 (b) sw-off 等效電路


(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。

(2.7)
(2.8)



圖10 反馳式轉換器