降壓、升壓和降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及案例分享

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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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(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)，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(jì)算占空比：

公式2計(jì)算最大金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(xiàn)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(huì)更大。

對(duì)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(cuò)功率級(jí)，因?yàn)檫@樣可以最大限度地減少組件的應(yīng)力，在多個(gè)功率級(jí)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(shí)會(huì)造成占空比受限，因?yàn)樽耘e電容需要在每個(gè)開(kāi)關(guān)循環(huán)進(jìn)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(dòng)態(tài)特性，因?yàn)樗鼈優(yōu)檎蛲負(fù)浣Y(jié)構(gòu)?？蓪?shí)現(xiàn)的帶寬取決于誤差放大器的質(zhì)量和所選擇的開(kāi)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。

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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(kāi)關(guān)Q1不導(dǎo)通時(shí)，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(jì)算占空比：

公式5計(jì)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?yàn)長(zhǎng)C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(jì)升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，重要的是要知道，即使轉(zhuǎn)換器不在進(jìn)行切換，也會(huì)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(duì)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(qiáng)烈建議采用多相或交錯(cuò)功率級(jí)方式。

當(dāng)在CCM模式下工作時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性由于其傳遞函數(shù)的右半平面零點(diǎn)（RHPZ）而受到限制。由于RHPZ無(wú)法補(bǔ)償，所以可實(shí)現(xiàn)的帶寬通常將小于RHPZ頻率的五分之一到十分之一。請(qǐng)參見(jiàn)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。

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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(jí)的組合，共享相同的電感器。參見(jiàn)圖15。

圖15：雙開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很實(shí)用，因?yàn)檩斎腚妷嚎梢员容敵鲭妷焊?、更大或相同，而需要輸出功率大?0W。

對(duì)于小于50W的輸出功率，單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）是一種更具成本效益的選擇，因?yàn)樗褂幂^少的組件。

當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，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(shí)，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(shí)，處理這些情況有兩個(gè)概念：或是降壓和升壓級(jí)同時(shí)有效，或是開(kāi)關(guān)循環(huán)在降壓和升壓級(jí)之間交替，每個(gè)通常以正常開(kāi)關(guān)頻率的一半運(yùn)行。第二個(gè)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(gè)概念相比，轉(zhuǎn)換器將更加有效。

降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸入和輸出端都有脈沖電流，因?yàn)槿我环较蚨紱](méi)有LC濾波器。

對(duì)于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可以分別使用降壓和升壓功率級(jí)計(jì)算。

具有兩個(gè)開(kāi)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(dá)400W（與LM5175相同）。建議使用與未組合降壓和升壓功率級(jí)相同的電流限制的同步整流器。

您需要為升壓級(jí)設(shè)計(jì)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)镽HPZ會(huì)限制穩(wěn)壓器帶寬。