DC-DCコンバータは、非安定化電圧源から安定化電圧を得るのに使用します。非安定化電圧源としては、振幅の変化によって電圧が変動する整流されたライン電圧があります。安定化電圧源は、入力電圧の変動や可変出力負荷に関係なく、目的のレベル（3.3V、2.5Vなど）の平均DC出力電圧を供給します。安定化電源ソリューションを決定する際の検討項目は、以下のとおりです。
- 使用可能な入力電圧
- 目的の出力電圧の大きさ
- 出力電圧の昇圧または降圧、あるいはその両方を行う能力
- DC-DC コンバータの効率 (POUT / PIN)
- 出力電圧リップル・ノイズ
- 出力負荷過渡応答
- ソリューションの複雑さ（1 個の IC によるソリューション、パッシブ・コンポーネント数、コントローラ、および外部 FET）
- スイッチング周波数（スイッチ・モード・レギュレータに関して）
以下に各電圧レギュレータを紹介します。
リニア・レギュレータ
リニア・レギュレータは、一般に昇圧（出力電圧が入力電圧より高い）および降圧（出力電圧が入力電圧より低い）両方のアプリケーションに使用されます。リニア・レギュレータは固定出力電圧、または外部バイアス抵抗を使用した可変出力電圧でも使用できます。
リニア・レギュレータは、実装がシンプルで最小部品点数（固定出力の場合は IC のみ）ですみ、出力リップルノイズが低いという利点がありますが、一方、効率が低くなる点もあります。それは、コンバータがオンになったままで電流を流し続けるので、リニア･レギュレータ IC 内で大きな電力が消費されます。リニア･レギュレータは、入力電圧と出力電圧の差が小さく、変換での効率が問題にならないときに使用してください。
スイッチング・レギュレータ
スイッチング・レギュレータは、一般に昇圧および降圧の両方のアプリケーションに使用され、パルス幅変調（PWM）を実装している点がリニア･レギュレータとは異なります。スイッチング・レギュレータは、一定周波数および可変デューティ・サイクルで動作する電流スイッチ（IC レギュレータの内部または外部）によって出力電圧をコントロールします。スイッチング周波数は通常、数 kHz から数百 kHz です。 スイッチのデューティ・サイクル比により、負荷状態および入力電圧に対応する出力電圧の上昇または下降の程度と速度が決まります。スイッチング・レギュレータには、可変スイッチング周波数およびデューティ･サイクルの両方を使用しているものもありますが、これらは通常、FPGA/CPLD アプリケーションには使用されません。
スイッチング・レギュレータでは明らかに変換効率が良くなります。出力電圧が負荷に対して十分なときは、パワー・パス（FET スイッチ）内で最小限の電力が消費されます。基本的にパワー・コンバータは、スイッチのデューティ･サイクルが最小なので、電力が必要ないときには｢シャットオフ｣します。一方、ボード上に何個かの受動素子が必要で回路が複雑になる点があります。高電流アプリケーションの場合、IC コンバータは外部 FET スイッチ用のコントロール・ロジックとしてのみ動作するため、外部 FET IC が必要です。また、出力電圧リップルノイズも問題であり、これは一般に電源付近および負荷にあるバイパス・キャパシタで処理されます。
バック（Buck）コンバータ
バック、または ステップ・ダウン・コンバータは、入力電圧よりも低い平均出力電圧を生成します。上の図は、理想的なコンポーネントを使用した基本的なバック・コンバータのトポロジを示しています。インダクタは出力負荷インピーダンスへの電流源として働きます。FET スイッチがオンのとき、インダクタ電流が増加し、インダクタの両端に正の電圧降下および入力電圧よりも低い出力電圧を誘導します。FET スイッチがオフのとき、インダクタ電流は放電してインダクタの両端に負の電圧降下を誘導します。インダクタの 1つのポートはグランドに接続されているので、他のポートは目的の出力電圧より高い電圧レベルになります。出力キャパシタはローパス・フィルタとして働き、インダクタを流れる電流が変動する結果生じる出力リップル・ノイズを低減します。ダイオードは FET スイッチがオフのときに、インダクタへの電流経路を提供します。
図 1. バック・コンバータ
同期式バック・コンバータ
同期式バック・コンバータは、基本的にはダイオードを別の FET スイッチに置き換えたバック-ステップ・ダウン-コンバータと同じです。上側の FET スイッチはインダクタ電流を充電し、バック・コンバータと同じように動作します。スイッチ・コントロールがオフのとき、下側のFET スイッチがオンになり、放電時のインダクタへの電流経路を提供します。このトポロジでは、より多くのコンポーネントと追加のスイッチ・ロジック・シーケンスが必要ですが、より高速なスイッチ・オン時間とダイオードよりも低い FET 直列抵抗（rdson）により効率を改善します。
図 2. 同期式バック・コンバータ
ブースト（Boost）コンバータ
ブースト、またはステップ・アップ・コンバータは、入力電圧よりも高い平均出力電圧を生成します。上の図はバック・コンバータ・トポロジを変形した形で、ダイオード、FET スイッチ、およびインダクタを入れ替えた構成となっています。FET スイッチがオンのとき、ダイオードは逆バイアスされ、入力電圧から負荷を分離し、インダクタ電流を充電します。FET スイッチがオフのとき、出力負荷はインダクタおよび入力電圧からのエネルギーを受け取ります。インダクタ電流が放電を始めると、インダクタの両端に負の電圧降下を誘導します。インダクタの 1つのポートは入力電圧でドライブされるので、他のポートはより高い電圧レベルになり、これがブーストまたはステップ・アップ機能です。 バック・コンバータと同様、キャパシタはローパス・フィルタとして働き、インダクタを流れる電流が変動した結果生じる出力リップル・ノイズを低減します。
図 3. ブースト（Boost）コンバータ
バックブースト（Buck-Boost）・コンバータ
バックブースト・コンバータは、正の入力電圧から負の出力電圧（すなわち、入力電圧のコモン/グランド・ポートに対して負）を生成できます。バック・コンバータと同様に、上記のトポロジではダイオードとインダクタが入れ替わっています。FET スイッチがオンのとき、ダイオードは逆バイアスされ、インダクタ両端での正の電圧降下によって誘導されるインダクタ電流を充電します。FET スイッチがオフのとき、インダクタはコモン・グランド・ノードを通して出力負荷にエネルギーを供給し、インダクタの両端に負の電圧降下を誘導する電流を放電します。1つのインダクタ・ポートはコモン/グランドに接続されるので、他のポートはコモン/グランドより低い電圧レベルになり、出力負荷の両端は負の出力電圧レベルになります。
図 4. バックブースト（Buck-Boost）・コンバータ
