DC-DC转换器工作原理详解
DC-DC转换器工作原理详解
DC-DC转换器是电子工程中常见的电压转换设备，广泛应用于各种电子产品中。本文将详细介绍DC-DC转换器的工作原理，包括降压（Buck）和升压（Boost）电路的工作机制，重点介绍PWM调制方式下的电压转换过程。
DC-DC转换器顾名思义，是用来做电压转换的设备。例如，一款产品电源输入为12V，但PCB上的芯片肯定吃不了这么高的电压，必定要做电压转换，这就是DC-DC转换器的作用。
上图是方块图，简单讲就是利用能量守恒的原理。降压称为Buck电路，升压称为Boost电路。我们以12V转5V为例，由上图知道，根据能量守恒，电压变小情况下电流会变大。值得注意的是，输入功率跟输出功率不会完全相等，因为有一部分能量会转换成热能。而输出输入的功率比值则称之为效率，效率当然越高越好，最高为100%。
看完大致上的运作原理后，我们接着了解内部的运作原理。DC-DC的调制方式有三类：PWM、PFM、PWM-PFM。我们以最常用的PWM（Pulse Width Modulation）为例，主要是利用占空比Duty Cycle来调节电压。
以下图为例：
假设要12V转5V，那么我们控制将12V启动的时间与12V关闭的时间，控制为5:7，如此一来，输出总电压就变成：
达到电压转换的目的。换言之，必须要有一个开关来控制电压的On跟Off，通常是由MOSFET来承担该任务。而输出电压也会透过反馈路径传回控制电路，控制电路再根据该输出电压去控制MOSFET的输出电压。总之，最终目的就是确保输出电压是我们想要的5V。
但话说回来，这真的是我们想要的5V吗？显然不是。因为由上图可以看到，虽然透过占空比，总电压是5V没错，但我们要的是稳定输出的5V，而非这种一下12V一下0V极度不稳定的电压。
于是进一步想，什么组件可以让电压稳定？对！电容。但我们加了电容后发现电压为下图：
是比方波好一点点，但也称不上是稳定的电压。同时输出电流也会在MOSFET导通瞬间飙到极高。这是因为当电压瞬间突变时，其电流会飙高，如果再加上电容的"加持"，那电流就会飙更高，如下式：
我们正是因为PCB上的某些芯片吃不了12V这么高的电压，才做电压转换。但如果电压转换后，反而使得DC-DC的输出电流超过这些芯片的额定电流，那也没意义，更何况一般DC-DC转换器的输出电流是有其上限的，以MPS的MP2330为例，其输出电流最大只能3A。
因此有必要再加入其他组件来达成稳定电压。要怎么解决电压上的突变？可以再加入一颗电阻，构成RC电路。而在实际加入一颗电阻后发现电压确实变稳定了：
因此以波形的角度也解释了为何RC电路可以用来滤波，因为波形会从富含谐波的方波变成三角波，故频谱上的谐波成份自然就减少。但这样还是不行，两个原因：一来是输出电流与该电阻相乘后会产生严重的IR Drop；二来是电阻会产生严重损耗使效率下降，把诸多能量都转换成热能，造成PCB温度上升许多。所以不能放电阻。
有什么组件损耗小，又可以稳定电流？对！电感。由可知加入电感后其突变的电流消失了，变成三角波：
但这样还是不行，因为既然MOSFET是开关，那么就会有关闭的时候，此时对于输出端而言，等同于开路。但我们知道任何讯号都要构成一个封闭的闭环才行，而且我们要的是稳定的输出5V电压，换言之，在MOSFET关闭时必须仍然要有电压与电流持续输出才行。
加一个落地路径为何？因为电容具有储能作用，换言之，在MOSFET关闭时换其担任电压来源，如绿色路径，如此便可构成封闭循环：
但是，这样做不行，原因是当MOSFET导通时，其电压电流都会流到地，构成短路，如红色路径。那我们进一步想，有什么组件可以当MOSFET关闭时构成绿色路径，当MOSFET导通时却又不会构成红色路径的短路？有！二极管。有些道路是单行道，只能朝单一方向前行，二极管正好有此特性，因此：
当MOSFET导通时二极管为"此路不通"，如此便可避免前述短路的现象发生：
但是，当MOSFET关闭时，该二极管便可导通，构成一个封闭回路，让电压与电流输出不中断。而这种利用二极管的方式叫做异步整流。故到此，大致上的拓扑结构便完成。其输出电压会由方波变成三角波，而电流也是三角波，接着一分为二，电容上的电流依然是三角波且有正有负，而负载上的电流就是纯粹的恒定直流。
为何电容上的电流有正有负？因为电容充电时电流为正，电容放电时电流为负，同时也呼应电容滤交流讯号的功用。换言之，我们可以把涟波Ripple看成是低频的噪声，透过电容过滤到地。
但这样还是有个缺点，因为二极管固定会有0.3V~0.4V的压降，换言之若输出电流3A，等同会浪费掉3×0.4=1.2W的功率，会大大拉低效率以及大大提高PCB温度。所以我们将二极管再替换成另一个MOSFET。如下图：
当S1导通时S2就关闭，当S1关闭时S2就导通，完全实现二极管的单行道功能，且效率高上许多，减少发热。而这种利用另一个MOSFET的方式叫做同步整流。当今主流的DC-DC转换器几乎都是同步整流，例如前述的MP2330。
至于调制方式，当今主流的DC-DC转换器大部分都采用PWM，但有些基于效率考虑，会采用PWM/PFM并用的模式。但这种并用的模式会在PMW<->PFM转换时Vcc有瞬间的变动，如果接到射频放大器，很可能其性能会周期性的变差。
若有这情况发生，就要考虑是否改为单一调制来换取较为稳定的性能。
参考文献
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[2] 高速电路设计实践
[3] 一起设计一款好用的12V转5V模块吧 第一期：开关电源原理, Bilibili
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[5] How to calculate, for a square wave input, the cut-off frequency point for a basic RC low pass filter with
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[8] LM76002/LM76003 3.5-V to 60-V, 2.5-A/3.5-A Synchronous Step-Down Voltage Regulator, TI
[9] Switch size control circuit in wide-load PWM/PFM DC-DC buck converters