DC-DC｜基礎篇

電源電路的七大標配：從低雜訊型到升壓型！

2025.07.30

・將電力做有效轉換的基本電路方式“線性穩壓器”
・可實現降壓和升壓的通用電路方式“DC-DC轉換器”
・可抑制損耗的高效型電路方式“同步整流型DC-DC轉換器”
・行動設備所不可或缺的升壓電路方式“升壓型DC-DC轉換器”
・最適合小型電源的隔離型電路方式“返馳式轉換器”
・對應高輸出的隔離型電路方式“順向式轉換器”
・將直流電轉換為交流電的應用電路方式“逆變器”
・專欄：電源技術領域中令人費解的術語

現代電子系統通常被CPU、FPGA、類比IC、RF、天線等數百乃至數千個半導體和電子元件填得滿滿的。

要發揮出這些電子元件的性能，離不開能夠提供穩定且高品質的電壓和電流的“電源電路”。設計電源電路的第一步是正確選擇滿足目標需求的電路方式。

在本文中，我們將探討從處理器到馬達驅動器領域常用的電源電路類型及其機制。

將電力做有效轉換的基本電路方式“線性穩壓器”

・元件少，設計簡單

圖1為採用了內建控制電路和功率電晶體單片IC“三端穩壓器”的線性穩壓器基本電路圖。僅用幾個元件（3～5個）即可輕鬆配置這種穩壓器。

由於控制電壓的元件與電源線是串聯配置的，所以它也被稱為“串聯穩壓器”。

・雜訊低

線性穩壓器使電流控制元件—功率電晶體在非飽和區域連續工作，因此具有雜訊比開關電源低得多的特點。適用於對訊號純度要求較高的高頻電路和測量用的類比電路。

使功率電晶體ON/OFF的開關穩壓器，由於體積小且輸出大而成為現代電源電路的主流產品，但其急遽的電流變化會產生強烈的高頻電磁雜訊，這些雜訊會透過佈線和空間傳播，對周圍精密電路的工作和性能產生不利影響。

圖1：線性穩壓器的基本電路

・需要散熱器，難以小型化

如圖1所示，線性穩壓器的電流控制元件—功率電晶體會產生下面公式中的損耗P_C，進而產生發熱。

\(P_{\text{C}} = (V_{\text{in}} – V_{\text{out}}) I_{\text{out}}\) （1）

其中，V_IN是輸入電壓，V_OUT是輸出電壓，IOUT是輸出電流。

線性穩壓器需要在輸入端配備確保輸入輸出之間的電壓不低於2V的電源，這樣功率電晶體才能保持線性工作。即使負載變重（負載電阻變小）、輸出電流增大、輸入電源的輸出電壓降低，輸入輸出之間的電壓差也必須保持在2V以上。例如要配置5V/2A輸出的線性穩壓器，即使在輸出電流為最大的2A時，輸入電源也必須保持7V以上的輸出電壓。此時電流控制元件的損耗為（7V－5V）×2A=4W。這是可輸出功率（5V× 2A=10W）的40%。即使負載很輕，比如只有500mA，如果不穩定的輸入電源的輸出電壓上升至10V，其損耗也不小，達到（10V－5V）×0.5A=2.5W，散熱器是必須要配備的。

如上所述，線性穩壓器具有雜訊低、元件少的優點，但具有發熱量大、難以小型化的缺點。

可實現降壓和升壓的通用電路方式“DC-DC轉換器”

・發熱量小

DC-DC轉換器可控制功率電晶體的ON和OFF時間，以保持輸出電壓恆定。DC-DC轉換器的最大特點是控制大電流的功率電晶體的損耗為0W（原理上），工作效率非常高。

在功率電晶體導通（ON）期間，集極（汲極）和射極（源極）之間的電壓為0V，因此無論流過多大的電流，損耗從原理上看都是0W。由於在OFF期間沒有電流流動（0A），因此原理上損耗也是0W。

而實際的電路在ON和OFF時都會產生微小損耗。相比線性穩壓器60-70%的效率，DC-DC轉換器的效率要高得多，可達80-90%以上。

・不僅支援降壓，還支援升壓和升降壓

線性穩壓器只能降低輸入電壓，但DC-DC轉換器透過改變電路連接，不僅可以進行降壓工作，還可以進行升壓、升降壓和反相工作。

例如可以將+5V轉換為−5V，或將+5V轉換為+12V。還可以進行升降壓工作，比如在+4～+3.0V範圍內變化的電源輸出3.3V的恆定電壓。

・DC-DC轉換機制

功率電晶體（Tr₁）是電流控制元件，能夠以數十kHz～數MHz的高頻進行ON/OFF（開關驅動），將輸入電壓轉換為所需電壓並輸出。在Tr₁導通（ON）期間，電感（L₁）被激磁，同時向負載供電。在Tr₁關斷（OFF）期間，L₁試圖繼續使電流流動，L₁中存儲的電磁能量透過續流二極體D₁進行換向。也就是說，即使在Tr₁關斷（OFF）期間，輸出側的電流也會繼續流動。

輸入電壓和輸出電壓的壓差加給了L₁，電流在Tr₁導通（ON）期間逐漸增大，在關斷（OFF）期間減小。L₁的電流波動會被輸出電容C₁平滑濾波。最終，L₁的電流平均值約等於輸出電流值。圖2為降壓型DC-DC轉換器的基本電路。

圖2：降壓型DC-DC轉換器的基本電路

・輸出電壓與PWM訊號占空比之間的關係式

圖3顯示了電路各部分的電壓與電流之間的關係。Tr₁導通（ON）時的電感電流變化量∆I_L由下面的公式表示：

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{in}} – V_{\text{out}}}{L_1} \times t_{\text{on}}\) （2）

其中，∆I_L是Tr₁導通（ON）時L₁的電流變化量[A]，V_IN是輸入電壓[V]，V_OUT是輸出電壓[V]，L₁是電感器L1的電感值［H］，t_on是PWM訊號的導通時間[s]。Tr₁關斷（OFF）時的電感電流變化量∆I_L由下面的公式表示：

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{out}}}{L_1} \times t_{\text{off}}\) （3）

圖3：降壓型DC-DC轉換器各部分的電壓和電流

當輸出電流恆定時，ON時和OFF時的電流變化量相同，因此上述兩個公式的∆I_L值相等。

由公式（2）和公式（3）可以得到關係式（4），即降壓型DC-DC轉換器的輸出電壓與“導通時間與開關週期之比（On duty）[%]”的關係式。

\(V_{\text{out}} = \displaystyle \frac{t_{\text{on}}}{t_{\text{on}} + t_{\text{off}}} \times V_{\text{in}}\) （4）

其中，t_off是PWM訊號的關斷時間[s]。

・透過回饋控制保持輸出電壓恆定

降壓型DC-DC轉換器會始終監控輸出電壓，並根據其波動改變PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調製）訊號的占空比，以保持輸出電壓恆定。當負載電流增加、輸出電壓降低時，透過增加PWM訊號的導通時間（即功率電晶體的ON時間），可增加從輸入電源供給負載的電流量。

反之，當負載電流減少、輸出電壓上升時，透過縮短PWM訊號的關斷時間，可以減少從輸入電源供給負載的電流量。

如圖4所示，透過由產生恆定頻率三角波或鋸齒波的振盪器、根據基準電壓和輸出電壓之間的電壓差輸出負反饋訊號的誤差放大器，以及對振盪器輸出和負反饋訊號進行比較的比較器組成的控制電路，可以生成具有適當占空比的開關訊號。

圖4：內建輸出電壓不波動的回饋控制電路的降壓型DC-DC轉換器

當輸出電壓波動、負反饋訊號的電平發生變化時，根據與振盪器輸出的比較結果，開關頻率保持恆定，占空比變化來校正輸出電壓，最終使輸出電壓保持恆定。

可抑制損耗的高效型電路方式“同步整流型DC-DC轉換器”

・續流二極體的損耗不小

在Tr₁關斷（OFF）期間，L₁中存儲的能量會透過D₁釋放出來。當電流流過D1時，會產生損耗，即透過“正向電壓（V_F）與電流之積”求得的損耗。即便是低V_F的蕭特基二極體（SBD），其損耗也有0.4～1.0W。例如當流過1A的電流時，會產生0.4～1.0W的不小的損耗。

續流二極體即使在Tr₁剛剛導通（ON）後也會產生損耗。在Tr₁從OFF變為ON的短暫時間內，D₁上的電壓急遽地從正向切換到反向。此時會有很大的尖峰電流流過二極體陽極和陰極之間的寄生電容。儘管尖峰電流流過的時間很短，但陰極被施加了與輸入電壓相等的高電壓。在能夠輸出400V直流電的PFC後級的DC-DC轉換器等器件中，會產生不容忽視的較大損耗。

目前主流的產品是用MOSFET取代續流二極體的“同步整流型”產品，下面會進行介紹。

圖5為同步整流型DC-DC轉換器的電路。是用MOSFET取代了圖4中一般DC-DC轉換器的續流二極體產品。

圖5：消除續流二極體損耗的同步整流型DC-DC轉換器的基本電路

・從高電壓到低電壓，是DC-DC的標準款

在歐洲，對電源高次諧波的規定越來越嚴格，60W以上的開關穩壓器越來越多地採用功率因數校正電路PFC（Power Factor Correction）。

在PFC的後段，隔離型DC-DC轉換器“LLC電源”因在穩定的輸入電壓下發揮出高效率和低雜訊性能優勢，而得到廣泛應用。

像LLC電源這樣輸入數百V高電壓的降壓型DC-DC轉換器中，需要使用高耐壓、高速的續流二極體。這類二極體的正向電壓（V_F）很大，達2V以上，因此導通損耗也不小。
目前主流的是用MOSFET取代二極體進行續流的同步整流型產品。

也適用於大規模邏輯半導體的電源

對於超低電壓電路來說，+0.6～+0.8V的VF是不容忽視的。而在邏輯規模大的FPGA和高端處理器所要求的+1.0～+1.8V、需要數A～數十A大電流的應用中，很早以前就開始採用同步整流型DC-DC轉換器了。

這些低電壓、大電流輸出電源，由於安裝在靠近FPGA和處理器晶片的電源引腳附近而被稱為“POL（Point Of Load）電源”。

・電路構成

仔細觀察可以發現，同步整流型DC-DC轉換器的電路構成與Single End Push-Pull轉換器相同，主開關Tr₁稱為“高側開關”，整流用的MOSFET稱為“低側開關”。

使用專用控制IC，在電流流過續流二極體的時間點，會使MOSFET導通。在MOSFET導通期間，電流從源極流向汲極。

MOSFET的導通電阻很低，僅有數mΩ，因此其導通損耗要比二極體低得多。

行動設備所不可或缺的升壓電路方式“升壓型DC-DC轉換器”

・是透過電池供電的行動系統所不可或缺的

要用1-cell鋰離子電池（充滿電時為4.2V）驅動5V或12V的電路，就必須使用升壓型DC-DC轉換器。圖6為升壓型DC-DC轉換器的基本電路。

圖6：升壓型DC-DC轉換器的基本電路

・升壓機制

開關Tr₁、二極體D₁、電感L₁等構成產品的元件與降壓型DC-DC轉換器相同，但連接方式不同。

當Tr₁導通時，L₁被激磁。當Tr₁關斷時，L₁中積蓄的能量透過二極體被釋放出來。L₁輸出的電流經由電容C₁平滑濾波後，得到直流電壓。

・輸出電壓與PWM訊號占空比之間的關係

在Tr₁導通期間，L₁被施加輸入電壓。L₁的電流變化量∆I_L可透過公式（5）來表示：

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{in}}}{L_1} \times t_{\text{on}}\) （5）

其中，∆I_L是Tr₁導通時L₁的電流變化量[A]，V_IN是輸入電壓[V]，L₁是電感的電感值[H]，ton是導通時間[s]。

當Tr₁關斷時，L₁被施加輸出電壓和輸入電壓的壓差V_OUT–V_IN。其運算式為公式（6）。L₁的電流變化量∆I_L可透過公式（6）來表示：

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{out}} – V_{\text{in}}}{L_1} \times t_{\text{off}}\) （6）

其中，t_off是關斷時間[s]。

在輸出電流恆定期間，導通（ON）時和關斷（OFF）時的電流變化量∆I_L是相等的。

根據公式（5）和公式（6），可以推導出升壓型DC-DC轉換器的輸出電壓與關斷時間之比—Off duty的關係（7）。

\(V_{\text{out}} = \displaystyle \frac{t_{\text{on}} + t_{\text{off}}}{t_{\text{off}}} \times V_{\text{in}}\) （7）

最適合小型電源的隔離型電路方式“返馳式轉換器”

以商用交流電源作為輸入的開關穩壓器，會使用能夠使輸入端（一次側）與輸出端（二次側）直流隔離，並將能量傳輸至負載的隔離型DC-DC轉換器。隔離型DC-DC轉換器的電路方式有兩種，不同的電路方式電流流過一次側和二次側線圈的時序不同。

・返馳式轉換器
・順向式轉換器

圖7為返馳式轉換器的基本電路。在一次側導通期間，能量被存儲在變壓器中。當關斷一次側時，能量從二次側輸出。這種電路方式被廣泛應用於100W以下的容量較小的隔離型轉換器。

圖7：100W以下的中小容量隔離型轉換器

在構建DC-DC轉換器時，需要選擇返馳式轉換器。在Tr₁導通期間，能量儲存在變壓器中，在Tr1關斷的時間點，能量被輸出到二次側。順向式轉換器和返馳式轉換器的變壓器二次側線圈極性不同。

對應高輸出的隔離型電路方式“順向式轉換器”

圖8是順向式轉換器的基本電路。電流流過變壓器的一次側（輸入端）的同時，也會流過二次側（輸出端）。這種電路方式適用於超過100W的大容量電源。

圖8：100W以上的大容量隔離型轉換器

在構建DC-DC轉換器時，需要選擇順向式轉換器。在電流流向變壓器一次側的時間點，被輸出至變壓器的二次側。

將直流電轉換為交流電的應用電路方式“逆變器”

逆變器是一種可將直流電轉換為極性交替變化的交流電的開關穩壓器。圖9是基本電路。這是驅動馬達的標準款功率放大電路。

圖9：逆變器輸出電路的基本構成

當輸出正訊號時，使Tr₁和Tr₄導通（ON），使Tr₂和Tr₃關斷（OFF）。當輸出負訊號時，使Tr₂和Tr₃導通（ON），使Tr₁和Tr₄關斷（OFF）。用比輸出的頻率高數十～數百倍的高頻來驅動功率電晶體ON/OFF。

如圖10所示，在輸出電壓極性交替的過零點附近，占空比減小；而在輸出電壓最大值附近，占空比變大。將這種脈衝訊號平滑處理後，可以得到正弦波。圖11是驅動三相無刷馬達的逆變器電路。

圖10：逆變器輸出級功率電晶體的工作與正弦波輸出之間的關係

圖11：驅動三相無刷馬達的逆變器電路

專欄：電源技術領域中令人費解的術語

雖然說就是“電源”這二個字…

“電源”是電池和發電機等可以提取電能的裝置。火力發電站、交流電源插座、乾電池都是電源。

聽到“電源”，有人會想到“電源電路”，有人會想到“電源單元”，有人會想到“電源模組”，都是因人而異。

雖然“DC-DC轉換器”只是“將直流電轉換為直流電的產品”，不過通常指的是“進行開關工作的穩壓器”，而以線性工作的DC-DC轉換器則被稱為“線性穩壓器”。

電源領域的術語很多情況下不是按字面意思使用的，針對同一個詞彙，工程師A先生想到的“電路”，業務B先生可能會想到“AC插座”。

電源電路

電源電路是將作為電能來源的電池和發馬達電機所輸出的不穩定電壓和電流，轉換為可以使電子電路和電子產品（例如馬達）正常運行所需的電壓和電流的電路。

穩壓器

將波動的輸入電壓轉換為波動較小的穩定電壓的電源電路稱為“穩壓器”或“穩壓電源電路”。內建負反饋電路，可檢測出輸出電壓的波動，用放大器將與基準電壓之間的差值放大並返回至輸入。

線性穩壓器

使電流控制元件—功率電晶體在非飽和區域連續工作的穩壓器稱為“線性穩壓器”。

開關穩壓器

將電流控制元件—功率電晶體驅動至飽和區域，以使其進行ON/OFF工作的穩壓器稱為“開關穩壓器”。通常是指將100V～240V的商用電源作為輸入，生成24V或12V等匯流排電源的電路或單元，多數產品具有隔離功能。

DC/DC轉換器

將輸入的直流電壓A轉換為不同大小的直流電壓B並輸出的穩壓器稱為“DC-DC轉換器”。指的是執行常規開關工作的產品。將較高的直流電壓轉換為較低的直流電壓的穩壓器稱為“降壓型DC-DC轉換器”，將較低的直流電壓轉換為較高的直流電壓的穩壓器稱為“升壓型DC-DC轉換器”。DC-DC轉換器是開關穩壓器的一種。一般而言，DC-DC轉換器多指將24V匯流排電壓轉換為5V、或將蓄電池的1.2V電壓轉換為3.3V電壓的這類車載中小容量產品。另外只是說“DC-DC轉換器”時，通常指的是非隔離型轉換器。

半橋電路的高側驅動用和PFC後段的匯流排電源生成用的LLC電源，會使用內建變壓器的隔離型DC-DC轉換器。

逆變器

將直流電轉換為交流電的電源電路稱為“逆變器”。專門驅動馬達的逆變器也有“馬達逆變器”等稱呼。提到“逆變器”通常指的是進行開關工作（D類工作）的電路。

【下載資料】開關穩壓器的特性與評估方法

在本手冊中將介紹開關穩壓器的基礎知識，並解讀開關穩壓器用IC的技術規格書，同時介紹優化設計需要瞭解的開關穩壓器的特性和評估方法。

下載

DC-DC

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