线性系列DC-DC转换器工作原理

直流-直流（DC-DC）转换器用于各种应用，例如：

个人电脑电源
办公用品
航天器动力系统
笔记本电脑
电信设备
直流电机驱动。

DC-DC转换器的输入是未调节的直流电压Vg，输出是已调节的输出电压V，其幅度（可能还有极性）与Vg不同。

例如，在计算机离线电源中，对120V或240V交流市电电压进行整流，分别产生大约170V或 340V 的直流电压。然后，DC-DC转换器将电压降低到处理器IC所需的5 V或3.3V稳压值。

有几种方法可以实现 DC-DC 电压转换。这些方法中的每一种都有其特定的优点和缺点，具体取决于许多操作条件和规格。

此类规格的示例是电压转换比范围、最大输出功率、功率转换效率、组件数量、功率密度、输入和输出的电流分离等。

线性电压转换器

最基本的 DC-DC 转换器是线性电压转换器。

它们通过将多余的功率耗散到电阻器中来实现 DC-DC 电压转换，使它们成为电阻分压器。显然，这对于电源转换效率来说并不是很理想。

它们的工作原理的另一个含义是它们只能将某个输入电压转换为具有相同极性的较低输出电压。换句话说，它们的电压转换比的值总是在零和一之间。

线性电压转换器的优点是实施起来相当简单。此外，它们通常不需要大型且占用空间的电感器或电容器，这使它们成为单片集成的有吸引力的选择。

因此，下面讨论两种类型的线性电压转换器，即串联和并联稳压器。

串联转换器

线性串联电压转换器的工作原理如图1（a）所示。

可变电阻器 R系列与负载 R L串联，将输入电压 U in降低到输出电压 U out。

R系列的电阻由控制系统控制，该控制系统通过测量U out在U in 和R L 的变化值下保持U out恒定。

控制系统也消耗功率，其电源电流 I cs说明了这一点。

在这种情况下，控制系统使用 U in 作为电源电压，也可以由 U out提供。然而，后一种情况需要启动电路，因为 U out 最初为零。

线性串联电压转换器的实际实现示例如下图所示：

在此示例中，R系列实现为 NPN BJT，控制系统实现为运算放大器 (OPAMP)，它执行误差放大器的任务。

通过这样做，U out 确定如下：

通过检查图1（a）的工作原理，效率η lin 可以计算如下：

当 I cs被忽略并假定为零时，η lin 等于电压转换比 k lin ，因此与 R L无关。图 2(a) 中的黑色曲线以图形方式说明了这一点。灰色曲线说明了更现实的情况，其中 I cs 具有有限的正值。

可以看出，当P out减小时，η lin 将趋于减小。

（图2）

图 2 (左) 显示了在恒定电压转换比 k lin 下，线性串联电压转换器的功率转换效率 η lin 作为输出功率 P out的函数。

黑色曲线对零控制系统电源电流 I cs 有效，灰色曲线对非零 I cs有效。

图2 (右) 显示了在恒定输出功率P out下，线性串联电压转换器的功率转换效率η lin作为电压转换比k lin 的函数。

黑色曲线对零控制系统供电电流 I cs 有效，灰色曲线对非零 I cs 有效。

显然，就功率转换效率而言，线性串联电压转换器在高电压转换比下具有内在优势。图 2(b) 说明了这一点，其中黑色曲线对 I cs = 0 有效，灰色曲线对有限的非零 I cs有效。灰色曲线表明，当 k lin接近统一时，控制系统的功耗对 η lin的影响变得更加显着。

这种类型的转换器非常适合单片集成，因为它简单且没有大型无源器件。然而，由于多余的功率在 R系列中消散，最大 P out 受到允许的片上功耗的限制。对于 k lin的低值，此限制变得更加显着。

这种类型的电压转换器用于启动和移轨工作的多种设计中。

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