長期降低成本：正輸出和負(fù)輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器使用相同的合格器件

制造商降低電子元件成本的一種相對(duì)簡單的方法是將相同的設(shè)計(jì)或元件用于不同的應(yīng)用。成本節(jié)約不僅體現(xiàn)在明顯批量采購相同零件上，還體現(xiàn)在最大限度地減少了所需的認(rèn)證流程數(shù)量。資格認(rèn)證對(duì)于運(yùn)輸行業(yè)尤其重要，尤其是對(duì)汽車制造商而言。通常，這是一個(gè)昂貴的過程，涉及測試設(shè)備的堅(jiān)固性、可靠性和使用壽命。

本文介紹如何在兩種截然不同的拓?fù)渲惺褂孟嗤脑?a target="_blank">IC控制器和動(dòng)力傳動(dòng)系）：公共降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。通過專門檢查反相降壓-升壓輸出端的反向電壓波動(dòng)，以及在這種拓?fù)渲惺褂米畋阋说臉O化電容器的方法，探討了反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的元件要求。因此，提出了一種簡單且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，用于使用相同的IC設(shè)計(jì)正降壓和負(fù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

正輸出，降壓轉(zhuǎn)換器

正輸出降壓轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖如圖1所示。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生穩(wěn)定的V外5 V，15 A 從輸入電壓 V在范圍為 5 V 至 38 V。動(dòng)力傳動(dòng)系包括調(diào)制（高端）MOSFET Q1 和 Q2、整流（低側(cè)）MOSFET Q3 和 Q4、電感器 L1、電解和陶瓷輸入濾波電容器 C 的組合合1和 CIN2，以及用于輸出濾波器和控制器的類似電容器組合。

圖1.帶V的降壓降壓轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖在5 V 至 38 V 和 V外5 V，15 A。

電阻器 RS如果采用峰值電流模式控制器，則可用作電流檢測元件，或在電壓模式控制中用作短路保護(hù)電路的一部分。輸入電容C合1和 CIN2終止于 GND;但是，可選的 CIN3和 CIN4端接至輸出，并用于負(fù)降壓-升壓解決方案。

降壓轉(zhuǎn)換器的功能經(jīng)過廣泛研究，易于獲得。在本文中，我們只是簡要說明動(dòng)力傳動(dòng)系組件上的電壓和電流應(yīng)力。它與新設(shè)計(jì)中組件的初步選擇和現(xiàn)有解決方案的粗略評(píng)估有關(guān)。假設(shè)連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 操作，可以使用以下表達(dá)式。

負(fù)輸出、負(fù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

圖2所示的負(fù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖與圖1中的降壓轉(zhuǎn)換器原理圖類似。值得注意的是，兩者都使用相同的組件來提供動(dòng)力傳動(dòng)系、互連和控制器?？刂破鞯慕拥?、開關(guān) MOSFET 和輸入/輸出濾波器存在差異。這些反相轉(zhuǎn)換器元件的接地為 –V外.電感L1端接至系統(tǒng)（輸入）地。

圖2.帶V的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖在2 V 至 33 V，V外–5 V，15 A，啟動(dòng)輸入電壓+5 V。

與降壓轉(zhuǎn)換器不同，電容器C合3和 C合4在此解決方案中不是可選的;它們充當(dāng)輸入過濾器。電容器 C合1和 C合2V之間的交流濾波器在和 –V外鐵軌。以下表達(dá)式可用于估計(jì)假設(shè) CCM 操作的動(dòng)力傳動(dòng)系組件上的應(yīng)力。

轉(zhuǎn)換器功能和測試

有大量文獻(xiàn)涵蓋了這兩種轉(zhuǎn)換器的基本甚至高級(jí)功能。1在本文的其余部分，我們將研究很少討論的因素。

首先，降壓拓?fù)浜徒祲?升壓拓?fù)渲g的輸出濾波器功能存在根本差異。在降壓配置中，電感器硬連線至輸出濾波器，以CCM為單位提供連續(xù)輸出電流。與降壓拓?fù)洳煌?，降?升壓拓?fù)洳粌H將電感連接到輸出端。在Q1/Q2導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電感L1與輸出濾波器斷開，輸出濾波器電容是負(fù)載的唯一能量來源。因此，必須有足夠的輸出電容來吸收不連續(xù)的輸出電容電流并支持指定的輸出電壓紋波。

負(fù)降壓-升壓拓?fù)湟约皩?shí)際上大多數(shù)反相拓?fù)涠加幸粋€(gè)缺點(diǎn)。啟動(dòng)時(shí)，輸出濾波器處有一個(gè)反向電壓擺幅，幅度不超過一個(gè)二極管壓降，如圖3所示。這種短暫的反向電壓是由于控制器的工作電流通過正向偏置二極管流向系統(tǒng)地造成的。極化電容器上反向電壓的存在乍一看似乎是不可接受的。因此，一些設(shè)計(jì)人員從輸出濾波器中消除極化電容器，轉(zhuǎn)而使用純陶瓷電容器。這種方法還會(huì)產(chǎn)生與陶瓷電容器的尺寸、成本和直流偏置相關(guān)的其他問題。然而，在反相降壓-升壓應(yīng)用中也可以使用極化電容器，但有一些限制。指南因供應(yīng)商而異，有關(guān)此類建議的示例，請(qǐng)參閱聚合物、鉭和氧化鈮電容器：應(yīng)用指南。2

圖3.具有啟動(dòng)波形的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。通道 2 的 V在為 5 V/格，而通道 3 的 V外為 0.5 V/格，時(shí)間刻度為 2 ms/格。

圖1和圖2所示的轉(zhuǎn)換器經(jīng)過全面測試和評(píng)估。它們的效率如圖4所示。為了通過低引腳數(shù)和寬輸入電壓范圍簡化設(shè)計(jì)，使其適用于多種解決方案，在這兩種情況下都使用了LTC7803高級(jí)控制器。評(píng)估板DC2834A用作驗(yàn)證兩種應(yīng)用的基礎(chǔ)（經(jīng)過一些修改）。為了降低EMI，可以采用該控制器的擴(kuò)頻功能。圖5顯示了降壓DC2834A轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓的照片。

圖4.圖1和圖2中轉(zhuǎn)換器的效率（V在12V，自然對(duì)流冷卻，無氣流）。

圖5.DC2834A 從原始的現(xiàn)成降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

結(jié)論

本文介紹了一種將相同控制器和多個(gè)相同元件用于正降壓和負(fù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的方法。通過這種方式，可以降低合格組件的成本。通過使用需要最少數(shù)量的動(dòng)力傳動(dòng)系組件并支持同步整流的控制器，可以進(jìn)一步降低成本，從而實(shí)現(xiàn)高效、低EMI、寬輸入電壓范圍的解決方案。

審核編輯：郭婷