Introduction to直流直流(電源)
文/高浚育 編/蔡昀諺
前言
GaN(氮化鎵)、智慧電網、電動車等是近年來電力領域裡最熱門的話題，上述應用的功率、電壓、電流等雖然都不盡相同，但其實每一個都離不開一個基礎的電力單元 — 直流-直流電源。GaN作為新穎的功率半導體材料，其優勢在於能夠以較高的工作頻率操作。這樣的特性讓常用的直流充電器(筆電、手機)使用GaN的材料製作的時候能使用較小的被動濾波元件，進而縮小體積；智慧電網則因為包含風電、太陽能等發電方式功率較不穩定，因此須先儲能，需要時再升壓至所需的電壓；電動車本身用的馬達雖然是交流馬達，但因為供電來自於直流且電壓小的鋰電池，所以中間需要先經過DCDC升壓後再經逆變器(inverter)轉換成驅動之AC電壓。本文將著重介紹DC-DC電源的種類以及各種設計。
DC變壓的需求
在愛迪生和特斯拉的輸電戰爭中，特斯拉憑藉交流電的交流變壓器功率恆定、易變壓、效率高勝出。時至今日，不同的電器的操作直流電壓都不盡相同，但因為電器本身體積的關係並不是每次都能使用變壓器降壓再轉直流，因此更有效的直流轉直流的研究應運而生。最簡單的解決方案便是電阻分壓，透過改變兩個電阻的比值來調整電壓的輸出，但因為實際的情況負載端有阻抗，所以接入這類分壓源後會改變設計好的電阻比，導致輸出電壓失準，我們一般將其稱為Load Effect。不過隨著電晶體和控制電路的研究越來越多，更加有效率的DCDC電源設計被提了出來。
DCDC電源的種類
常見的DCDC電源可以分為線形電源和切換式電源：
線性電源(降壓)
線性電源的概念是將電晶體和控制電路結合從而形成自動調節的可變電阻讓輸出的電壓保持恆定。因為線性電源有著較小的躁聲和較為簡單且小型的電路結構，所以一般常見於音響系統以及小型電路如微控制器等的電源供應。其降壓原理是透過控制電路讓電晶體吸收電壓差來維持輸出端電壓的恆定，缺點是電流恆定但輸出/輸入兩端的電壓不同造成電晶體需要承受以熱量形式耗散的功率差（功率=電流*電壓），導致整體效率較差，也因此不會運用在太高功率的場合。但近期出現以縮小電晶體兩端壓差來達成提高效率的低壓差穩壓器。
切換式電源(降/升壓)
切換式電源是以磁性元件如電感器來儲能的同時承擔升/降壓的電壓差，因為這些儲能元件為被動元件，幾乎不會消耗能量，配合適當的電路即可達到非常高的轉換效率。我們可以將切換式電源想像成一個儲水桶，當高於某個水位時會關上進水閥，被負載端抽走太多水低於某個水位時再打開進水閥，如此開開關關來維持電壓，故取名為切換式電源。整體缺點為高速切換時會在輸出端增加高頻躁聲以及整體的控制電路較為複雜，設計時需要考量的問題會更多。
DCDC電源的設計 DC-DC
電源在設計時會有許多規格要求，除了一般的輸入輸出電壓、效率外還有好幾種不同的需求：
輸出設計
(1)輸出穩定度
電源的輸出電壓通常會要求恆定，但因為各種原因輸出電壓常常會有一定起伏稱為漣波(ripple)。儘管漣波無法避免，但必須將其控制在一定範圍內，特別是當高負載/負載輸出變化太大時漣波會更大，需要針對不同操作區間進行設計。
(2)功率因數
切換式電源因為原生電流不連續導致電流和電壓之間可能會有延遲（相位差），需要設計矯正電路讓電壓電流同相，以降低一側的供電壓力。 ※如果不做功率因數校正，則會有虛功無端在負載和電網之間來回流動，這些虛功不被負載所耗散但會在輸電線裡損耗，發電端需要提供實際的功率消耗+虛功，因此對電網的壓力會更大。
(3)暫態響應
有時因為負載端汲取的電流並不恆定，或會有非常短暫的高於額定輸出功率的區間，輸出需要維持住電壓。另一種狀況是負載端的等效電阻急遽變化，同樣的電流下會讓輸出端電壓急升/急降，控制電路需要在一定時間內將輸出穩定回設計電壓以保護負載。
結語 DC-DC
電源供應器在電晶體的蓬勃發展後跟著持續進步，從做為主要開關的功率半導體至控制拓樸的固態電路，技術的進步讓電源供應器的效率大幅提高、成本下降。甚至同樣的概念已可被應用到積體電路裡，利用製程做出等效電容、電感，做成微型的電荷泵(charge pump)、buck/boost電路等為晶片提供電源供應。隨著電力系統更加複雜以及雙向傳輸的需求，更多的電路設計或控制拓樸還在研究中，能夠為我們帶來更高效率、安全且穩定的電源供應器。
作者介紹
高浚育（Jimmy），國立清華大學電子所研究生
References
[1] 維基線性穩壓器
https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_regulator
[2] 維基開關式電源
https://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply
[3] • Pressman, Abraham I. (1998), Switching Power Supply Design (2nd ed.), McGraw-Hill, ISBN 0–07–052236–7
[4] 電源供應器基本原理：作業、遠端感測、漣波與雜訊模式https://www.ni.com/zh-tw/shop/electronic-test-instrumentation/power-supplies-and-loads/what-are-programmable-power-supplies/remote-sense-ripple-noise.html
