使用開關穩壓器！設計您自己的DCDC轉換器

Published by Deviceplus 編輯團隊 at 2023.01.18

使用開關穩壓器製作DCDC轉換器

開關穩壓器IC是一種電源IC，可從某一直流電壓中獲取所需電壓，用於控制開關式DCDC轉換器。
還有一種電路是使用齊納二極體或三端穩壓器從某一高壓中產生所需電壓（同步降壓）。但是如果需要幾安培的大電流量，則需要一個開關穩壓器來進行降壓。

開關穩壓器IC比預想中更易於使用

開關穩壓器IC ROHM BD9E301如圖所示。SOP8封裝主要用於外形封裝，但也可以透過轉換板用在通用板上

開關穩壓器的優點

在電源電路中使用開關穩壓器的優點是“高效”。
如果您要使用開關穩壓器，那麼需要一些外部元件。與三端穩壓器不同，使用開關穩壓器時，除了IC和電容還需要其他元件，這可能會讓人感覺電路連接會比較困難。
如果您瞭解開關穩壓器的工作原理，可能會覺得“是不是得附加各種振盪器和線圈？”其實，現如今開關IC的大部分功能都內建在IC中，所以需要的外部零件很少，電路設計也省時省力。
降壓電路有多種降壓方式，但使用開關穩壓器可以實現80-95%的高轉換效率。其他方法（使用三端穩壓器）效率通常為50%左右或者更低，從而導致浪費功耗以及發熱量過多。
將大負載連接到降壓電路時，可以透過使用開關穩壓器來創建產生較少熱量的節能電路。

參考連結：開關穩壓器|電子小百科
https://www.rohm.com.cn/electronics-basics/dc-dc-converters/dcdc_what4

製作DCDC轉換器電路

現在，我們使用開關穩壓器IC來製作DCDC轉換器。

我們將使用一個DCDC轉換器，它可以將12V電源的輸入轉換為5V / 2A的輸出。使用該輸出規格，您還可以移動USB設備，為自己的設備提供USB充電功能。
ROHM的BD9E301用於開關穩壓器IC。由於該IC內建FET，所以可支援高達2.5A的輸出，並且具有使用外部電阻自由調節輸出電壓的功能，可支援7V~36V的大範圍輸入電壓。

BD9E301的技術規格書摘錄。開關穩壓器的技術規格書中描述了電路設計範例，因此請參考該內容製作電路。
來源：7.0V-36V輸入，2.5A MOSFET內建型1ch同步整流降壓DC/DC轉換器—BD9E301EFJ-LB (E2) | ROHM Co., Ltd.

除了基本規格外，開關穩壓器技術規格書還包含電路設計和圖形佈局範例，因此我們一邊參考技術規格書一邊開始製作電路。

放置在轉換板上的開關穩壓器IC，安裝於通用板上

由於BD9E301是一種表面貼裝IC，所以通用板上需要使用轉換板。使用轉換板時，可能會產生散熱量不足的問題而導致故障，因此使用時要注意電流量和發熱情況。

一邊查看技術規格書中的應用電路，一邊將電子元件焊接到板上。輸出電壓由R1 和R2的分壓電阻之比來決定，因此我們將R1設置為12kΩ，將R2設置為3kΩ，其他元件使用與技術規格書相同的設置。
由於開關電源是一種以高頻率重複進行ON/OFF動作的電路，所以該元件應儘量靠近IC安裝，以免佈線距離過長。從某種意義上來說，電路佈局是開關穩壓器的關鍵所在。
由於技術規格書中包含關於佈局的說明，我們將一邊參考元件的位置一邊製作電路。

完成的DCDC轉換器背面。DIP部件安裝在表面上，表面安裝型線圈安裝在焊接表面上。需要安裝的部件很少，使用開關穩壓器的DCDC轉換器可以由一個電阻、幾個電容和一個線圈製作而成。

當12V電壓施加到所完成的電路時，輸出電壓為5V。電路中的回饋機制可以使輸出電壓保持不變，因此即使外部電壓發生波動，電路也始終輸出5V。該開關穩壓器IC最高可輸出（電源電壓x 0.7）V，因此理論上來說，即使電源電壓降至7.2V也能正常工作。

我們已經製作出了一個5V / 2A電源電路，現在將一個USB端子連接到輸出部分，來為USB設備供電。

如果您將USB端子連接到自己的5V DCDC轉換器，就可以為USB設備充電。上圖是為iPad充電的圖片。讓人意外的是，發熱量很小，因此電池可以穩定充電。

如您所見，僅使用開關IC就可以輕鬆製作出5V輸出電源電路。您可以在製作電路時嘗試添加USB充電等附加功能，也許會很有趣。

在將開關電源商業化時存在很多問題，包括需要符合PCB佈局和EMI（電磁干擾）規定，但是就電路設計本身來說，僅透過使用開關穩壓器IC就可以輕鬆完成電路製作。

三端穩壓器和開關IC的正確使用

就像前文所說的那樣，最近的開關IC由於外部零件很少，電路設計用的材料很多，所以安裝開關降壓電路變得很容易。

在實際電源電路設計中，您可能會想知道應該使用開關穩壓器還是三端穩壓器。

開關穩壓器因其效率高而具有吸引力，但是在某些應用場景中其優勢可能無法得到充分發揮：比如只使用了一個微型電腦和幾個LED但電流很高時。
在只有幾毫安培的電路中，即使提高了效率，其實用優勢也可能不復存在。
此外，開關電源的效率隨著負載電流的降低而降低（相反，這時候三端穩壓器的效率更高），而缺點——例如包含了大量部件和雜訊波紋——會變得更加突出。在這種情況下，就總成本來說，使用三端穩壓器具有更大優勢。
總的來說，不要認為“開關穩壓器更好，因為它們效率更高！”我們應該根據功耗和電路尺寸來選擇合適的方法。

開關穩壓器和線性穩壓器之間的區別。兩種穩壓器各有優缺點，必須根據實際情況來對其進行選擇。三端穩壓器屬於線性穩壓器。
來源：線性穩壓器的優缺點比較| Tech Web
https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/dcdc/s-dcdc/02-s-dcdc/88

總結
當您聽到“開關穩壓器”這個詞時，最初可能會覺得“難以製作”，但實際使用的時候會發現並沒有想像中那麼複雜。並且，您還可以輕鬆地製作出高效的電源電路。
如果學會了使用開關穩壓器，您就可以對電路電壓進行控制了——例如，除了降壓之外，還可以進行升壓、反相和升降壓，如此一來，您就可以擴大電路設計的範圍。
設計開關電源真正困難的部分是如何進行圖形佈局來放置零部件以及如何處理EMI以符合各國法規。而對您來說，很容易能夠完成製作，所以即使在電氣工程中，使用開關穩壓器也是一個不錯的選擇。
我們使用了表面貼裝型開關穩壓器，但也有可用於通用板的DIP形IC和內建線圈的開關穩壓器，因此即使在電器工程中，開關IC也非常易於使用。此外，最新產品中有一種內建了FET的類型，可以輸出7A~8A電流。

如果您正在製作帶有三端穩壓器和大型散熱器的電源電路，或者您正在透過連接DCDC轉換器模組來製作小元件，那麼何不嘗試使用開關穩壓器IC來進行電路設計呢？