DC-DC轉換器是現代電子電源的核心。它提供了從一個(gè)電壓電平到多個(gè)其他電壓電平的轉換。dc-dc轉換器既可以作為您自己設計的核心IC，又可以作為模塊和積木使用（請參閱本文末尾的“積木是什么？”）。后兩種類(lèi)型通過(guò)提供可以集成到較大電源的產(chǎn)品來(lái)消除大量的原始設計。

多年來(lái)，dc-dc轉換器已成為設置和維持工作電壓并提高效率同時(shí)增加功率密度的主要組件。古老設備的摘要更新說(shuō)明了它如何進(jìn)行更改以滿(mǎn)足多種驅動(dòng)因素。

當今的電源系統使用兩種主要類(lèi)型的體系結構：分布式體系結構和中間總線(xiàn)體系結構。圖1a示出了分布式布置。傳統的AC-DC電源會(huì )生成一條主DC總線(xiàn)，該總線(xiàn)已分配到設備的所有部分。IC和其他設備所需的DC電壓由負載點(diǎn)（POL）DC-DC轉換器/調節器產(chǎn)生。

示出了分布式總線(xiàn)架構（a）和中間總線(xiàn)架構（b）。

中間總線(xiàn)布置如圖1b所示。交流電源的主直流配電總線(xiàn)連接到每個(gè)主要子系統或產(chǎn)生中間總線(xiàn)的印刷電路板（PCB）中的DC-DC轉換器。從那里，POL DC-DC轉換器接管，為負載創(chuàng )建單獨的電源電壓。

趨勢與目標

dc-dc轉換器規格和功能有幾個(gè)主要驅動(dòng)因素。這些驅動(dòng)因素是當今影響電源設計的趨勢：

較低的電源電壓：大型MPU，FPGA和ASIC越來(lái)越多地采用了極低的內核電源電壓。電壓范圍為0.6至1.8V。與此同時(shí)，從這些器件汲取的電流已從數十安培急劇增加到數百安培。一些新設備在1 V或更低的電壓下工作，而消耗的電流超過(guò)500A。

更高的效率：減少能耗和降低熱量水平的努力已將效率推到了優(yōu)先事項的首位。

過(guò)渡到48 V：電源總線(xiàn)電壓通常為12 V，但已使用5、24、28和36 V總線(xiàn)。一個(gè)主要趨勢是在48 V上實(shí)現標準化。這種更高的電壓具有多項優(yōu)勢，包括提高效率和減少I(mǎi) 2 R損耗。較高的電壓會(huì )降低相同功率水平下的電流。結果是功耗降低了16倍。許多新產(chǎn)品和系統正在過(guò)渡到48 V，例如電動(dòng)工具，工業(yè)設備（例如機器人）和叉車(chē)。數據中心是48V系統的主要采用者。而且，當然，汽車(chē)正在逐漸向48V系統過(guò)渡，以補充現有的12V系統。

增加的功率密度：所有設計人員似乎都希望在更小的封裝中實(shí)現上述功能。但是，很難實(shí)現功率密度的提高。一種常見(jiàn)的方法是使用較高的開(kāi)關(guān)頻率，以減小電感器和電容器的尺寸。將所有這些組件和模塊放在較小的空間中會(huì )產(chǎn)生散熱問(wèn)題。巧妙的機械包裝可以很大程度地減少此問(wèn)題。

提高可靠性：應該實(shí)現所有這些目標，但是保持或提高設備的可靠性是設計人員面臨的另一個(gè)關(guān)鍵挑戰。

當前電源設計的一個(gè)很好的例子是云存儲和計算業(yè)務(wù)的快速且巨大的增長(cháng)。這導致主要參與者（Amazon，IBM，Microsoft等）的數據中心添加了更多機架服務(wù)器。這一增長(cháng)增加了數千臺新服務(wù)器，在某些情況下還增加了一百萬(wàn)臺服務(wù)器。

由于能耗很高，因此還需要降低電氣服務(wù)成本，以降低數據中心的熱量水平并降低空調成本。更高的效率將有助于控制能源成本，而較小的包裝則可為數據中心提供更多空間以供將來(lái)擴展。

其他一些趨勢和目標是：

增加使用GaN晶體管等寬帶隙器件來(lái)提高效率。
通過(guò)更多3D設計改進(jìn)了包裝。
越來(lái)越多地使用功率因數校正（PFC）。
降低空載功耗。
越來(lái)越多地使用電源管理。

能源管理

電源管理是指使用DC-DC轉換器的數字控制來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品或系統中的電源傳輸并提供保護。電源管理IC或子系統調節，控制和分配產(chǎn)品電源。一些電源管理芯片包括兩個(gè)或多個(gè)dc-dc轉換器，也許還包括一些LDO。轉換器還可以包括用于在更高的電壓和/或更高的電流下使用外部MOSFET功率器件的驅動(dòng)器。

另一個(gè)功能是電源監視和控制電路。這些電路可測量和數字化輸入和輸出電壓，電流以及內部和外部溫度。其他控件可能涉及設置來(lái)自外部電源的輸出電壓的能力。過(guò)壓和過(guò)流檢測提供信號以關(guān)閉設備，以防止損壞。

大多數電源管理IC都包含一個(gè)PMBus通信端口，以提供外部編程以及監視和控制功能。PMBus是流行的I 2 C串行接口的變體。

一些使用最廣泛的電源管理芯片是用于監視狀態(tài)并提供反饋的手機中的那些芯片。這樣的芯片還包括電池充電器和其他電池相關(guān)的電路。

特殊用途的DC-DC轉換器

DC-DC轉換器可實(shí)現各種應用，幾乎是當今生產(chǎn)的每種電子產(chǎn)品內部都有一個(gè)或多個(gè)它們。但是，它們出現在一些非常不尋常的產(chǎn)品，設備和系統中。

這些特殊情況之一就是用于種植珊瑚的系統。研究人員創(chuàng )建了一個(gè)系統，其中在將兩個(gè)電極浸入海水中的同時(shí)在兩個(gè)電極之間施加精確的1.2至4 V直流電壓，從而導致碳酸鈣（石灰石）的生長(cháng)。這種石灰石支持珊瑚的生長(cháng)并加快了進(jìn)程。

大型系統可以部署在珊瑚全部或部分枯竭的近海區域。這種用于海上部署的大規模系統需要重型，高輸出DC-DC轉換器。在太陽(yáng)，風(fēng)或波浪作用的驅動(dòng)下，DC-DC轉換器會(huì )將高電流饋入海水中以產(chǎn)生石灰石。