[经验]

降压、升压和降压升压拓扑结构详解

李志强

2019-3-19 06:45:06

3589 转换器 FET

在本篇文章中，我将从不同方面深入介绍降压、升压和降压-升压拓扑结构。
降压转换器
图1是非同步降压转换器的原理图。降压转换器将其输入电压降低为较低的输出电压。当开关Q1导通时，能量转移到输出端。

图1：非同步降压转换器原理图

公式1计算占空比：

公式2计算最大金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）应力：

公式3给出了最大二极管应力：

其中Vin是输入电压，Vout是输出电压，Vf是二极管正向电压。
与线性稳压器或低压差稳压器（LDO）相比，输入电压和输出电压之间的差异越大，降压转换器的效率就越高。
尽管降压转换器在输入端具有脉冲电流，但由于的电感 - 电容（LC）滤波器位于转换器的输出端，输出电流是连续的。结果，与输出端的纹波相比，反射到输入端的电压纹波将会更大。
对于占空比小且输出电流大于3A的降压转换器，建议使用同步整流器。如果您的电源需要大于30A的输出电流，建议使用多相或交错功率级，因为这样可以最大限度地减少组件的应力，在多个功率级之间分散产生的热量，并减少转换器输入端的反射纹波。
使用N-FET时会造成占空比受限，因为自举电容需要在每个开关循环进行再充电。在这种情况下，最大占空比在95-99％的范围内。
降压转换器通常具有良好的动态特性，因为它们为正向拓扑结构。可实现的带宽取决于误差放大器的质量和所选择的开关频率。
图2至图7显示了非同步降压转换器中FET、二极管和电感器在连续导通模式（CCM）下的电压和电流波形。

升压转换器
升压转换器将其输入电压升高为更大的输出电压。当开关Q1不导通时，能量转移到输出端。图8是非同步升压转换器的原理图。

图8：非同步升压转换器原理图

公式4计算占空比：

公式5计算最大MOSFET应力：

公式6给出了最大二极管应力：

其中Vin是输入电压，Vout是输出电压，Vf是二极管正向电压。
使用升压转换器，可以看到脉冲输出电流，因为LC滤波器位于输入端。因此，输入电流是连续的，输出电压纹波大于输入电压纹波。
在设计升压转换器时，重要的是要知道，即使转换器不在进行切换，也会有从输入到输出的永久连接。必须采取预防措施，以防输出端可能发生的短路事件。
对于大于4A的输出电流，应使用同步整流器替换二极管。如果电源需要提供大于10A的输出电流，强烈建议采用多相或交错功率级方式。
当在CCM模式下工作时，升压转换器的动态特性由于其传递函数的右半平面零点（RHPZ）而受到限制。由于RHPZ无法补偿，所以可实现的带宽通常将小于RHPZ频率的五分之一到十分之一。请参见公式7：

其中Vout是输出电压，D是占空比，Iout是输出电流，L1是升压转换器的电感。
图9至图14显示了非同步升压转换器中FET、二极管和电感器在CCM模式下的电压和电流波形。

降压-升压转换器
降压-升压转换器是降压和升压功率级的组合，共享相同的电感器。参见图15。

图15：双开关降压-升压转换器原理图

降压-升压拓扑结构很实用，因为输入电压可以比输出电压更小、更大或相同，而需要输出功率大于50W。
对于小于50W的输出功率，单端初级电感转换器（SEPIC）是一种更具成本效益的选择，因为它使用较少的组件。
当输入电压大于输出电压时，降压-升压转换器以降压模式工作；输入电压小于输出电压时，在升压模式下工作。当转换器在输入电压处于输出电压范围内的传输区域中工作时，处理这些情况有两个概念：或是降压和升压级同时有效，或是开关循环在降压和升压级之间交替，每个通常以正常开关频率的一半运行。第二个概念可以在输出端引起次谐波噪声，而与常规降压或升压工作相比，输出电压精度可能不那么精确，但与第一个概念相比，转换器将更加有效。
降压-升压拓扑结构在输入和输出端都有脉冲电流，因为任一方向都没有LC滤波器。
对于降压-升压转换器，可以分别使用降压和升压功率级计算。
具有两个开关的降压-升压转换器适用于50W至100W之间的功率范围（如LM5118），同步整流功率可达400W（与LM5175相同）。建议使用与未组合降压和升压功率级相同的电流限制的同步整流器。
您需要为升压级设计降压-升压转换器的补偿网络，因为RHPZ会限制稳压器带宽。
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