長期降低成本：正輸出和負輸出DC-DC轉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簡單的方法是將相同的設計或元件用于不同的應用。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證流程數(shù)量。資格認證對于運輸行業(yè)尤其重要，尤其是對汽車制造商而言。通常，這是一個昂貴的過程，涉及測試設備的堅固性、可靠性和使用壽命。

本文介紹如何在兩種截然不同的拓撲中使用相同的元件（IC控制器和動力傳動系）：公共降壓轉換器和反相降壓-升壓轉換器。通過專門檢查反相降壓-升壓輸出端的反向電壓波動，以及在這種拓撲中使用最便宜的極化電容器的方法，探討了反相降壓-升壓轉換器的元件要求。因此，提出了一種簡單且經(jīng)濟高效的解決方案，用于使用相同的IC設計正降壓和負降壓-升壓轉換器。

正輸出，降壓轉換器

正輸出降壓轉換器的電氣原理圖如圖1所示。轉換器產(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。動力傳動系包括調制（高端）MOSFET Q1 和 Q2、整流（低側）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，并用于負降壓-升壓解決方案。

降壓轉換器的功能經(jīng)過廣泛研究，易于獲得。在本文中，我們只是簡要說明動力傳動系組件上的電壓和電流應力。它與新設計中組件的初步選擇和現(xiàn)有解決方案的粗略評估有關。假設連續(xù)導通模式 （CCM） 操作，可以使用以下表達式。

負輸出、負降壓-升壓轉換器

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

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

與降壓轉換器不同，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。以下表達式可用于估計假設 CCM 操作的動力傳動系組件上的應力。

轉換器功能和測試

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

首先，降壓拓撲和降壓-升壓拓撲之間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。與降壓拓撲不同，降壓-升壓拓撲不僅將電感連接到輸出端。在Q1/Q2導通時間內(nèi)，電感L1與輸出濾波器斷開，輸出濾波器電容是負載的唯一能量來源。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。

負降壓-升壓拓撲以及實際上大多數(shù)反相拓撲都有一個缺點。啟動時，輸出濾波器處有一個反向電壓擺幅，幅度不超過一個二極管壓降，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，一些設計人員從輸出濾波器中消除極化電容器，轉而使用純陶瓷電容器。這種方法還會產(chǎn)生與陶瓷電容器的尺寸、成本和直流偏置相關的其他問題。然而，在反相降壓-升壓應用中也可以使用極化電容器，但有一些限制。指南因供應商而異，有關此類建議的示例，請參閱聚合物、鉭和氧化鈮電容器：應用指南。2

圖3.具有啟動波形的反相降壓-升壓轉換器。通道 2 的 V在為 5 V/格，而通道 3 的 V外為 0.5 V/格，時間刻度為 2 ms/格。

圖1和圖2所示的轉換器經(jīng)過全面測試和評估。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計，使其適用于多種解決方案，在這兩種情況下都使用了LTC7803高級控制器。評估板DC2834A用作驗證兩種應用的基礎（經(jīng)過一些修改）。為了降低EMI，可以采用該控制器的擴頻功能。圖5顯示了降壓DC2834A轉換為反相降壓-升壓的照片。

圖4.圖1和圖2中轉換器的效率（V在12V，自然對流冷卻，無氣流）。

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

結論

本文介紹了一種將相同控制器和多個相同元件用于正降壓和負降壓-升壓轉換器的方法。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)量的動力傳動系組件并支持同步整流的控制器，可以進一步降低成本，從而實現(xiàn)高效、低EMI、寬輸入電壓范圍的解決方案。

審核編輯：郭婷