新型降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)與應用分析

有許多工業(yè)和汽車應用，其輸入電壓可在很大范圍內(nèi)變化。類似地，電池供電的消費產(chǎn)品也經(jīng)歷其轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的大的變化。在這種情況下，即使輸入電壓低于，高于或接近所需的負載電壓，DC/DC轉(zhuǎn)換器也必須提供穩(wěn)定的輸出電壓。降壓 - 升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器滿足了這些需求。多年來，Intersil，凌力爾特公司和德州儀器等供應商提供了無數(shù)低噪聲，高性能，寬輸入降壓 - 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，可充分滿足這些需求 “降壓 - 升壓DC/DC處理寬輸入電壓范圍”。

現(xiàn)在這些供應商已經(jīng)準備好新一代降壓 - 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，它具有許多新穎的特性和功能，包括無抖動降壓和升壓模式之間的轉(zhuǎn)換。此外，它們還可以從各種電源提供高負載電流和高轉(zhuǎn)換效率。凌力爾特公司最近發(fā)布了LTC3118，這是一款新型雙輸入，寬電壓范圍同步降壓 - 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有智能，集成的低損耗PowerPath控制器。此外，對于更高的負載電流和單輸入，它已經(jīng)準備好具有更高輸入電壓能力的新型降壓 - 升壓μModule（微模塊）穩(wěn)壓器LTM8056。

同樣，Intersil發(fā)布了高度集成的降壓 - 升壓開關穩(wěn)壓器，指定為ISL91108和ISL91110，由于其完全同步的4開關架構(gòu)，可在寬負載變化范圍內(nèi)提供高效率。

本文將詳細探討這些新型降壓 - 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，研究其新穎的架構(gòu)，可在輕負載和滿負載條件下以更低的靜態(tài)電流實現(xiàn)高效率。此外，還將展示應用電路，以展示最終應用和產(chǎn)品的易用性和性能。

新一代降壓 - 升壓

根據(jù)Linear的說法，對于由各種電池化學，墻上適配器和USB等直流電壓軌驅(qū)動的應用，需要使用多個輸入源進行操作。因此，LTC3118的雙輸入功能使其適用于使用電池或超級電容作為輔助或備用輸入的應用，以防傳統(tǒng)的主輸入中斷。同樣，使用多個光源（如墻上適配器和鋰離子（Liion）電池）的應用也可以利用新型buckboost DC/DC轉(zhuǎn)換器的雙輸入功能。

雖然這看起來簡單明了，但事實并非如此。根據(jù)LT Journal of Analog Innovation的文章 “具有智能PowerPath控制的18 V降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器提供2 A，雙輸入效率為95％”作者：Eddy Wells，電源路徑損耗，輸入源的優(yōu)先級和來自感應電纜插入的電壓尖峰可能導致系統(tǒng)的成本和復雜性。根據(jù)Wells的解釋，LTC3118通過將雙低損耗PowerPath控制器與高效降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合來解決這些問題，如圖1所示。

圖1：LTC3118獨特的雙開關架構(gòu)允許從輸入源VIN1或VIN2轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出電壓VOUT，可以高于或低于任一輸入。 （由Linear Technology提供）

這種新穎的雙開關架構(gòu)允許從輸入源VIN1或VIN2轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出電壓VOUT，該輸出電壓可高于或低于任一輸入。高達18 V的工作電壓可為12 V標稱電源提供足夠的電壓裕量。升壓或降壓工作模式之間的轉(zhuǎn)換是無縫的，沒有瞬態(tài)，使其適用于對噪聲敏感的應用，Linear表示。

對于需要大電流的應用，降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器可以從各種電源提供高達2 A的連續(xù)輸出電流，包括單節(jié)或多節(jié)電池，超級電容器堆棧和墻上適配器。其輸入和2.0 V至18 V輸出范圍內(nèi)的2.2 V至18 V輸入范圍可提供高于，低于或等于穩(wěn)壓輸出的穩(wěn)壓輸出。

LTC3118使用低電平 - 噪聲，電流模式控制架構(gòu)，可快速響應線路或負載瞬變，并在輸出端保持嚴格的調(diào)節(jié)。智能PowerPath控制器和單電感器降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器集成在4 mm×5 mm QFN或28引腳TSSOP封裝中。為實現(xiàn)開關損耗與外部元件尺寸之間的最佳平衡，轉(zhuǎn)換器以1.2 MHz的固定開關頻率工作。系統(tǒng)級功能包括理想的二極管或VIN優(yōu)先級模式，VIN和VOUT電源就緒指示器，精確的RUN比較器，可編程獨立的欠壓鎖定（UVLO）閾值，以及關斷時的輸出斷開。其他功能包括2μA關斷電流，短路保護，軟啟動，電流限制和熱過載保護。

參考文獻1中的LT Journal文章提供了一個基于LTC3118的完整應用電路，如圖2所示。在該應用電路中，根據(jù)參考，2節(jié)鋰離子電池是置于VIN1上，12 V墻上適配器放置在VIN2上。

圖2：使用降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器LTC3118的雙輸入應用電路。 （由Linear Technology提供）

在此示例中，選擇理想二極管模式以確保12 V適配器存在時的操作。如圖3所示，在任一輸入源的寬負載范圍內(nèi)都可實現(xiàn)高效率。此外，它表明突發(fā)模式操作有助于在任何來源的輕負載下實現(xiàn)高效率。在此應用電路中，電池放置在VIN1上，因為它具有較低的RDS（on）MOSFET，并且在升壓模式下能夠在低VIN下支持稍高的負載電流。根據(jù)此參考，當從電池電壓范圍的低端（即6 V）驅(qū)動時，此電路的最大負載電流為800 mA。

圖3：LTC3118可在任何輸入源的寬負載范圍內(nèi)提供高效率。（由Linear Technology提供）

參考文獻中提供了更多應用程序。 1，表明LTC3118為雙輸入設計中的設計人員提供了最大的系統(tǒng)靈活性。

集成解決方案

對于更高的負載電流和單輸入，Linear已經(jīng)準備好了新的降壓 - 升壓μModule（微型模塊）調(diào)節(jié)器具有更高的輸入電壓能力。 LTM8056具有5 V至58 V的寬輸入電壓范圍，還提供寬輸出電壓范圍，可調(diào)輸入和輸出平均電流限制。它采用緊湊型BGA封裝，提供精確調(diào)節(jié)的輸出電壓，可通過1.2 V至48 V的外部電阻分壓器進行編程，負載為4 A. BGA封裝包括開關降壓 - 升壓控制器，電源開關，電感器和支持組件（圖4）?？蛇x擇的開關頻率范圍為100 kHz至800 kHz，使用SYNC輸入和CLKOUT輸出引腳輕松實現(xiàn)同步。

圖4：降壓 - 升壓μModule穩(wěn)壓器LTM8056支持4 A負載時輸入電壓高達58 V的高輸入電壓。它采用緊湊型BGA封裝，包括開關控制器，電源開關，電感器和支持組件。 （由Linear Technology提供）

同樣，Intersil還發(fā)布了新的集成開關降壓 - 升壓穩(wěn)壓器ISL91108和ISL91110，可在工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換，而不會產(chǎn)生明顯的輸出干擾。由于采用完全同步的4開關架構(gòu)，它們可在寬負載變化范圍內(nèi)提供出色的效率（圖5）。 ISL91108單元的空載靜態(tài)電流僅為27.5μA，可在輕負載條件下優(yōu)化效率。根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表，還可以選擇強制PWM和/或與外部時鐘同步用于噪聲敏感應用。

圖5：Intersil最新的降壓 - 升壓穩(wěn)壓器采用完全同步的4開關架構(gòu)，可在寬范圍內(nèi)提供高效率負載變化。 （由Intersil提供）

為了保持較小的電源解決方案，降壓 - 升壓穩(wěn)壓器ISL91108和ISL91110的開關頻率為2.5 MHz。這些單元采用先進的晶圓級CSP封裝，以減少器件的占位面積。此外，開關降壓 - 升壓穩(wěn)壓器僅需要一個電感器和極少的外部元件即可完成解決方案（圖6）。

圖6：ISL91108的典型固定輸出應用電路表明，只需一個電感和一些外部元件即可完成解決方案。 （由Intersil提供）

在3.3 V時輸出電流高達2 A，ISL91110是該系列中最高電流的開關穩(wěn)壓器，輸入電壓低至2.5 V.其靜態(tài)電流為35μA 。同樣，ISL91108在3.3 V時的額定電流為1.6 A，輸入電壓低至2.8 V.其靜態(tài)電流僅為27.5μA。

總之，新一代降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器帶來了許多新功能和功能，以滿足更廣泛的應用。除了提供降壓和升壓模式之間的無抖動轉(zhuǎn)換外，它們還可以從各種電源提供高轉(zhuǎn)換效率的高負載電流。此外，輸入電壓范圍和輸出一樣加寬。