非反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)和如何實現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計

簡介

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)用個人計算機 （IPC），銷售點 （POS） 系統(tǒng)，和汽車啟停系統(tǒng)。在這些應(yīng)用中，輸入電壓可以高于或低于所需的輸出電壓?；痉聪蚪祲?升壓轉(zhuǎn)換器具有一個相對于接地的負輸出電壓。單端初級電感器轉(zhuǎn)換器 （SEPIC），Zeta 轉(zhuǎn)換器和雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器具有正向或非反向輸出。然而，與基本反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相比，所有這三個非反向拓撲結(jié)構(gòu)具有額外的功率元件，并且效率有所下降。本文介紹對這些降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的操作原理、電流應(yīng)力和功率損耗分析，并且提出高效非反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

圖表1顯示了基本反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路原理圖，連同連續(xù)傳導(dǎo)模式 （CCM） 下的典型電壓和電流波形。除了輸入和輸出電容器，功率級由一個功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET），一個二極管，和一個電感器組成。當(dāng)MOSFET （Q1） 接通時 （ON），流經(jīng)電感器 （L1） 的電壓為VIN，而電感器電流的斜升速率與VIN的上升速率成正比。這導(dǎo)致電感器內(nèi)的電能累積。當(dāng)Q1接通時，輸出電容器提供全部負載電流。當(dāng)Q1關(guān)閉時，二極管 （D1） 被正向偏壓，并且電感器電流的下降速度與VOUT的下降速度成正比。在Q1斷開時，電能從電感器被傳送到輸出負載和電容器。

CCM模式下的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換率可表示為：

在這里，D是Q1的占空比，并且始終在0至1的范圍內(nèi)。等式1表示輸出電壓的幅度可以高于（此時D》0.5）或低于（此時《0.5）輸入電壓。然而，輸出電壓與輸入電壓的極性始終相反。

傳統(tǒng)非反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器不能滿足需要正向輸出電壓的應(yīng)用的要求。SEPIC，Zeta，和雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是三種常見的非反向降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)。Zeta 轉(zhuǎn)換器，也被稱為反向SEPIC，它與SEPIC相類似，但是不如SEPIC那么受歡迎，其原因在于這類轉(zhuǎn)換器需要一個會增加電路復(fù)雜度的高側(cè)驅(qū)動器。

在圖表2中顯示了一個SEPIC轉(zhuǎn)換器和其CCM模式下的理想波形。一個SEPIC轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換率為：

等式2表示正向輸出電壓和降壓-升壓能力。

與一個反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相類似，一個SEPIC轉(zhuǎn)換器具有一個單個MOSFET （Q1） 和一個單個二極管 （D1）。SEPIC轉(zhuǎn)換器中的MOSFET 和二極管對于電壓和電流的需求與反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中此類元件的電壓和電流需求相類似。同樣地，MOSFET 和二極管的功率損耗也是相似的。在另一方面，SEPIC轉(zhuǎn)換器具有一個額外的電感器 （L2） 和一個額外的交流耦合電容器 （Cp）。

在一個SEPIC轉(zhuǎn)換器中，L1的平均電感器電流等于輸入電流 （IIN），而L2的平均電感器電流等于輸出電流 （IOUT）。相反地，反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的單個電感器的電流值為IIN + IOUT 的平均值。耦合電容器上會出現(xiàn)相對于輸入電流和輸出電流的高值均方根 （RMS） 電流，這會生成額外的功率損耗，并減少轉(zhuǎn)換器的總體效率。

為了減少功率損耗，需要具有低值等效串聯(lián)電阻 （ESR） 的陶瓷電容器，而這樣通常會使成本增加。SEPIC轉(zhuǎn)換器中與額外耦合電容器相耦合的額外電感器會增加印刷-電路板 （PCB） 的尺寸以及總體解決方案成本。耦合電感器可被用來替代兩個單獨的電感器，以便減少PCB尺寸。然而，相對于單獨的電感器，現(xiàn)貨供應(yīng)的耦合電感器的選擇范圍有限。有時需要定制設(shè)計，這一也增加了成本和交貨時間。

一個傳統(tǒng)雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器使用一個單個電感器（圖表3）。然而，它比反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器多了一個MOSFET （Q2） 和一個二極管 （D2）。通過同時接通和斷開Q1和Q2，轉(zhuǎn)換器運行在降壓-升壓模式，而電壓轉(zhuǎn)換率也可由等式2計算得出。這可以確保雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器執(zhí)行非反向轉(zhuǎn)換。在圖表3中顯示了運行在降壓-升壓模式和CCM 模式下的雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的理想波形。在Q1和D1上都出現(xiàn)值為VIN的電壓應(yīng)力，而Q2 和D2上的電壓應(yīng)力值均為VOUT 。在忽略電感器紋波電流的情況下，Q1，Q2，D1 和L1 上的電流應(yīng)力值均為IIN + IOUT 。相對較多的功率器件數(shù)量和降壓-升壓模式中的高電流應(yīng)力值會妨礙轉(zhuǎn)換器的高效率。

雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的工作模式優(yōu)化

雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一個降壓轉(zhuǎn)換器與其后面的一個升壓轉(zhuǎn)換器的級聯(lián)組合。除了上面提到的降壓-升壓模式，Q1和Q2中具有完全一樣的柵極控制信號，雙開關(guān)-降壓-升壓轉(zhuǎn)換器還可以運行在降壓或升壓模式中。通過在VIN高于VOUT 時使轉(zhuǎn)換器運行在降壓模式，并且在VIN低于VOUT 時使轉(zhuǎn)換器運行在升壓模式，可實現(xiàn)降壓-升壓功能。

在降壓模式下，Q2被控制為始終處于斷開狀態(tài)，并且與典型降壓轉(zhuǎn)換器中一樣，通過控制Q1來調(diào)節(jié)輸出電壓-。圖表4中顯示了降壓模式中的等效電路和CCM模式中的相應(yīng)理想波形。電壓轉(zhuǎn)換率與典型降壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換率一樣：

在這里D是Q1的占空比。在降壓模式下，由于D一直小于1，所以輸出電壓始終低于輸入電壓。三個方面的原因使得降壓模式的效率有可能高于降壓-升壓模式的效率。首先，Q2在降壓模式中始終處于斷開狀態(tài)，這意味著其中沒有功率耗散。第二點，在降壓模式下，Q1，D1和L1 中的電流應(yīng)力值只是IOUT，而這個值要低于降壓-升壓模-式中的值IIN + IOUT，這就有可能減少功率損耗。第三點，雖然D2的傳導(dǎo)損耗保持不變，由于D2始終處于傳導(dǎo)狀態(tài)，降壓模式中的反向恢復(fù)損耗被消除。

通過將Q1一直保持在接通狀態(tài)，D1被反向偏置偏壓并且保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，然后雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器運行在升壓模式下。與典型升壓轉(zhuǎn)換器相類似，通過控制Q2來調(diào)節(jié)-輸出電壓。圖表5中顯示了升壓模式下的等效電路，以及CCM模式中的相應(yīng)理想波形。電壓轉(zhuǎn)換率與典型升壓轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換率一樣：

在這里D是Q2的占空比。在升壓模式下，由于D始終大于零，輸出電壓一直大于輸入電壓。相似地，由于具有較少的運行功率器件和更低的電流應(yīng)力值，在升壓模式下可以實現(xiàn)比降壓-升壓模式更高的效率。

高效雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)

雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以運行在降壓-升壓、降壓或升壓模式下。工作模式的不同組合可以用來實現(xiàn)升壓和降壓功能。需要合適的控制電路來確保所需的運行模式-。表格1中匯總了四個不同工作模式組合間的比較結(jié)果。純降壓-升壓模式的特點是控制最為簡單，但是在VIN范圍內(nèi)的升壓和降壓轉(zhuǎn)換效率不高。

表格1.工作模式比較

降壓、降壓-升壓和升壓模式的組合有可能在VIN范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。然而，由于多個工作模式和導(dǎo)致的不同模式之間的轉(zhuǎn)換，其控制十分復(fù)雜。在很多應(yīng)用中，輸入電壓通常只在短時間內(nèi)會下降到低于輸出電壓的水平。在這些應(yīng)用中，升壓轉(zhuǎn)換效率不像降壓轉(zhuǎn)換效率那么關(guān)鍵。同樣地，降壓和降壓-升壓模式的組合很好地平衡了控制復(fù)雜度和效率之間的關(guān)系。

圖表6顯示了使用德州儀器（TI） 生產(chǎn)的LM5118 雙模式控制器來實現(xiàn)雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的實際方法。這個轉(zhuǎn)換器在輸入電壓高于輸出電壓時充當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的角色。隨著輸入電壓接近并超過輸出電壓，它轉(zhuǎn)變?yōu)榻祲?升壓模式。在降壓模式和降壓-升壓模式之間有一個較短的漸進轉(zhuǎn)換區(qū)域，以便消除轉(zhuǎn)換期間對輸出電壓的干擾。

在這個示例中，標(biāo)稱輸出電壓為12V 。當(dāng)VIN高于15.5V 時，轉(zhuǎn)換器運行在降壓模式。當(dāng)VIN下降到13.2V 以下時，轉(zhuǎn)換器的工作模式變?yōu)榻祲?升壓模式。當(dāng)VIN介于15.5V 和13.2V 之間時，轉(zhuǎn)換器運行在轉(zhuǎn)換模式。圖表7顯示了開關(guān)節(jié)點1 （SW1） 和開關(guān)節(jié)點2 （SW2） 的電壓波形。在降壓模式下（VIN = 24V），SW2電壓保持恒定，這表示Q2被保持在斷開狀態(tài)。相反地，Q2 以及Q1 在降壓-升壓模式中正在被切換（VIN = 9V）。圖表8顯示負載電流為3A時相對于輸入電壓的效率。通過在降壓模式中運行，轉(zhuǎn)換器可提高降壓轉(zhuǎn)換的效率。

結(jié)論

SEPIC，Zeta 和雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是三款常見的非反向降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，這些拓撲結(jié)構(gòu)提供正向輸出以及升壓/降壓功能。當(dāng)運行在降壓-升壓模式中時，所有三個轉(zhuǎn)換器會經(jīng)歷高電流應(yīng)力和高傳導(dǎo)損耗。然而，通過使雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器運行在降壓模式或升壓模式，可減少電流應(yīng)力，并且能夠提高效率。

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