深入介紹3種拓撲結(jié)構(gòu)：降壓、升壓和降壓-升壓

在本篇文章中，我將從不同方面深入介紹降壓、升壓和降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)。

01. 降壓轉(zhuǎn)換器

圖1是非同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。降壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓降低為較低的輸出電壓。當(dāng)開關(guān)Q1導(dǎo)通時，能量轉(zhuǎn)移到輸出端。

圖1：非同步降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

公式1計算占空比：

公式2計算最大金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）應(yīng)力：

公式3給出了最大二極管應(yīng)力：

其中Vin是輸入電壓，Vout是輸出電壓，Vf是二極管正向電壓。

與線性穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器（LDO）相比，輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大，降壓轉(zhuǎn)換器的效率就越高。

盡管降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端具有脈沖電流，但由于的電感 - 電容（LC）濾波器位于轉(zhuǎn)換器的輸出端，輸出電流是連續(xù)的。結(jié)果，與輸出端的紋波相比，反射到輸入端的電壓紋波將會更大。

對于占空比小且輸出電流大于3A的降壓轉(zhuǎn)換器，建議使用同步整流器。如果您的電源需要大于30A的輸出電流，建議使用多相或交錯功率級，因為這樣可以最大限度地減少組件的應(yīng)力，在多個功率級之間分散產(chǎn)生的熱量，并減少轉(zhuǎn)換器輸入端的反射紋波。

使用N-FET時會造成占空比受限，因為自舉電容需要在每個開關(guān)循環(huán)進行再充電。在這種情況下，最大占空比在95-99％的范圍內(nèi)。

降壓轉(zhuǎn)換器通常具有良好的動態(tài)特性，因為它們?yōu)檎蛲負浣Y(jié)構(gòu)?？蓪崿F(xiàn)的帶寬取決于誤差放大器的質(zhì)量和所選擇的開關(guān)頻率。

圖2至圖7顯示了非同步降壓轉(zhuǎn)換器中FET、二極管和電感器在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下的電壓和電流波形。

02. 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓升高為更大的輸出電壓。當(dāng)開關(guān)Q1不導(dǎo)通時，能量轉(zhuǎn)移到輸出端。圖8是非同步升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖8：非同步升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

公式4計算占空比：

公式5計算最大MOSFET應(yīng)力：

公式6給出了最大二極管應(yīng)力：

其中Vin是輸入電壓，Vout是輸出電壓，Vf是二極管正向電壓。

使用升壓轉(zhuǎn)換器，可以看到脈沖輸出電流，因為LC濾波器位于輸入端。因此，輸入電流是連續(xù)的，輸出電壓紋波大于輸入電壓紋波。

在設(shè)計升壓轉(zhuǎn)換器時，重要的是要知道，即使轉(zhuǎn)換器不在進行切換，也會有從輸入到輸出的永久連接。必須采取預(yù)防措施，以防輸出端可能發(fā)生的短路事件。

對于大于4A的輸出電流，應(yīng)使用同步整流器替換二極管。如果電源需要提供大于10A的輸出電流，強烈建議采用多相或交錯功率級方式。

當(dāng)在CCM模式下工作時，升壓轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性由于其傳遞函數(shù)的右半平面零點（RHPZ）而受到限制。由于RHPZ無法補償，所以可實現(xiàn)的帶寬通常將小于RHPZ頻率的五分之一到十分之一。請參見公式7：

其中Vout是輸出電壓，D是占空比，Iout是輸出電流，L1是升壓轉(zhuǎn)換器的電感。

圖9至圖14顯示了非同步升壓轉(zhuǎn)換器中FET、二極管和電感器在CCM模式下的電壓和電流波形。

03. 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是降壓和升壓功率級的組合，共享相同的電感器。參見圖15。

圖15：雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)很實用，因為輸入電壓可以比輸出電壓更小、更大或相同，而需要輸出功率大于50W。

對于小于50W的輸出功率，單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）是一種更具成本效益的選擇，因為它使用較少的組件。

當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器以降壓模式工作；輸入電壓小于輸出電壓時，在升壓模式下工作。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內(nèi)的傳輸區(qū)域中工作時，處理這些情況有兩個概念：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關(guān)循環(huán)在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關(guān)頻率的一半運行。第二個概念可以在輸出端引起次諧波噪聲，而與常規(guī)降壓或升壓工作相比，輸出電壓精度可能不那么精確，但與第一個概念相比，轉(zhuǎn)換器將更加有效。

降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)在輸入和輸出端都有脈沖電流，因為任一方向都沒有LC濾波器。

對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可以分別使用降壓和升壓功率級計算。

具有兩個開關(guān)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器適用于50W至100W之間的功率范圍（如LM5118），同步整流功率可達400W（與LM5175相同）。建議使用與未組合降壓和升壓功率級相同的電流限制的同步整流器。

您需要為升壓級設(shè)計降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的補償網(wǎng)絡(luò)，因為RHPZ會限制穩(wěn)壓器帶寬。

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審核編輯 黃宇