摘要：电力电子技术的快速发展使得各种电子设备对电源管理的需求量逐渐增大。在各种电源方案设计中，DC-DC转换已经成为现如今电源转换中的常见转换方案，其特点具体表现为高集成度、小体积以及高效率。在实际的DC-DC电源转换方案设计中，工程师们可以将DSP、单片机等技术应用的相对灵活，但在面对电源系统设计时，往往会出现电源效率较低、供电电流不足或过大等情况。本文将针对类似情况介绍八大设计要点，从而更好的解决DC-DC电源转换方案设计的问题。
1、要点一：DC-DC转换的本质
DC-DC电源电路又被称为DC-DC转换电路，其主要功能是进行输入输出电压转换。通常情况下，输入电压在72V以内的电压变换称为DC-DC转换。常见的电源主要分为车载与通用工业系列，前者的使用的电压一般为48V、24V等，后者使用的电源电压一般在24V以下。应用领域不同，其规律也会不一样。如电脑中常用的是12V、3.3V，模拟电路电源常用5V、15V，数字电路常用3.3V等，现在的FPGA、DSP中还用2V以下的电压。在通信系统中，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC-DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
2、要点二：最简单的稳压管电路设计方案
稳压管稳压电路的特点主要体现为：结构简单、负载能力差、输出功率小等，一般情况下只为芯片提供基准电压，不做电源使用。比较常用的是并联稳压电路，其电路简区如图所示。
选择稳压管时一般可按下述式子估算：（1）Uz＝Vout
（2）Izmax＝（1.5－3）ILmax
（3）Vin=（2-3）Vout
这种电路结构相对简单，可以抑制输入电压的抗动，但由于受到稳压管最大工作电流限制，同时输出电压又不能任意调节，因此该电路适应于输出电压不需调节，负载电流小，要求不高的场台，该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。
3、要点三：基于基准电压源芯片的稳压电路
稳压电路的另一种形式对供电电压要求比较高，例如AD DA芯片的基准电压等，这时常用的一些电压基准芯片如TL431、MC1403等。TL431是最常用基准源芯片，它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。最常用的电路应用如下图所示，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特別地，当R1＝R2时，Vo＝5V。
4、要点四：串联式稳压电源的相关知识
串联型稳压电路属于直流稳压电源中的一种，在三端稳压器出现之前，串联稳压器通常由OP放大器和稳压二极管构成误差检测电路，如下图所示。该电路中，OP放大器的反向输入端与输出电压的检测信号相连，正向输入端子与基准电压Vref相连，VS＝Vout＊R2/（R1＋R2），由于放大信号为负值，控制晶体管的基级电压下降，因此输出电压减小。在正常情況下，必有Vref＝Vs＝Vout*R2/（R1＋R2），调整R1，R2之比可设定所需要的输出电压值。
图中所示只是三端稳压器的基本原理，这种串联型稳压电路一旦处理不当，极易产生振荡。现如今没有一定功底的工程师，一般不用这种方法，而是直接采用集成的三端稳压电路进行DC-DC转换电路的使用。
5、要点五：线性集成稳压电路常用的设计方案
线性稳压电路设计方案主要以三端集成稳压器为主。三端稳压器主要有两种：一种称为固定输出三端稳压器，三端稳压器的通用产品有78系列（正电源）和79系列（负电源），输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，有5V、6V、8V等档次。输出电流以78（或79）后面加字母来区分。L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A，如78L05表示5V0.1A。
另一种称为可调输出三端稳压器，这类芯片的代表是LM317（正输出）和LM337（负输出）系列。其最大输入输出极限差值在40V，输出电压为：±1．2V到35V连续可调，输出电流为0.5-1.5A，输出端与调整端之间电压在1.25V，调整端静态电流为50uA。
其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。
6、要点六：开关式稳压电路的设计
上面所述的几种转换电路都属于串联反馈式稳压电路，在此种工作模式中集成稳压器的调整管工作在线性放大状态，因比当负載电流较大时，损耗比较大，即转换效率不高。因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大，一般只有2－3W，这种设计方案仅适合于小功率电源电路。
采用开关电源芯片设计的DC-DC转换电路转化效率高，适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用，常用的分为非隔离式开关电源与隔离式开关电源电源。其基本的拓扑包括降压型、升压型、及反激、正激、桥式变化等。
7、要点七：基于非隔离式DC-DC集成芯片的电路设计
DC-DC开关转换集成电路芯片，这种芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似，这里用L4960举例说明，一般是先使用50Hz电源変压器进行AC-AC変换，将交流220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围，如1．2～34V，由L4960进行DC-DC变换，这时输出电压的变化范围下可调至5V至40V，最大输出电流可达2.5A，并且内设完善的保护功能，如过流保护、过热保护等。尽管L4960的使用方法与LM317差不多，但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比，效率不可同日而语，L4960最大可输出100W的功率，但本身最多只消耗7W，所以散热器很小，制作容易。类似的芯片比较多，如：LM2576系列等。
8、要点八：DC-DC开关集成电源模块方案
许多微处理器和数字信号处理器（DSP）都需要内核电源和一个输入/输出（I/O）电源，这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在上电和断电操作时内核和I／O电压源的相对电压和时序，以符合制造商规定的性能规格。如果没有正确的电源排序，就可能出现闭锁或过高的电流消耗，这可能导致可编程逻辑件（PLC）、现场可编程门阵列（FPGA）等I/O端口的损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载，内核电源和I/O电源跟踪是必需的。现在有专门的电源模块公司量身定做一些专用的开关电源模块，这些模块结合了实现即插即用的解决方案所需的大部分或全部组件，可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计，同时可减少电源管理部分的占板空间。
9、总结
本文这里主要大致介绍了DC-DC电源转换的几种常用的设计方法方案。同时，还需要注意以下几点：
A、需要注意的是稳压管稳压电路不能做电源使用，只能用于没有功率要求的芯片供电。
B、线性稳压电路结构简单，但由于转化效率低，因此只能用于小功率稳压电源中。
C、开关型稳压电路转化效率高，可以应用在大功率场合，但其局限在于电路结构相对复杂（尤其是大功率电路），不利于小型化。因此在设计过程中，可根据实际需要选择合适的设计方案。
参考文献：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术 第四版[M]。北京；机械工业出版社，2000.
[2]陈坚，康勇.电力电子学-电力电子变换和控制技术 第三版。高等教育出版社
[3]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，1998
作者简介：
刘魏晋，男，湖北武汉，汉，硕士研究生，助教，专任教师：研究方向，电力电子，开关电源。
论文作者:刘魏晋
论文发表刊物:《河南电力》2018年12期
论文发表时间:2018/12/3
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