新型降压-升压型DC/DC转换器的结构与应用分析

电子设计 2019-03-27 3900

描述

有许多工业和汽车应用，其输入电压可在很大范围内变化。类似地，电池供电的消费产品也经历其转换器的输入电压的大的变化。在这种情况下，即使输入电压低于，高于或接近所需的负载电压，DC/DC转换器也必须提供稳定的输出电压。降压 - 升压DC/DC转换器满足了这些需求。多年来，Intersil，凌力尔特公司和德州仪器等供应商提供了无数低噪声，高性能，宽输入降压 - 升压型DC/DC转换器，可充分满足这些需求 “降压 - 升压DC/DC处理宽输入电压范围”。

现在这些供应商已经准备好新一代降压 - 升压型DC/DC转换器，它具有许多新颖的特性和功能，包括无抖动降压和升压模式之间的转换。此外，它们还可以从各种电源提供高负载电流和高转换效率。凌力尔特公司最近发布了LTC3118，这是一款新型双输入，宽电压范围同步降压 - 升压型DC/DC转换器，具有智能，集成的低损耗PowerPath控制器。此外，对于更高的负载电流和单输入，它已经准备好具有更高输入电压能力的新型降压 - 升压μModule（微模块）稳压器LTM8056。

同样，Intersil发布了高度集成的降压 - 升压开关稳压器，指定为ISL91108和ISL91110，由于其完全同步的4开关架构，可在宽负载变化范围内提供高效率。

本文将详细探讨这些新型降压 - 升压型DC/DC转换器，研究其新颖的架构，可在轻负载和满负载条件下以更低的静态电流实现高效率。此外，还将展示应用电路，以展示最终应用和产品的易用性和性能。

新一代降压 - 升压

根据Linear的说法，对于由各种电池化学，墙上适配器和USB等直流电压轨驱动的应用，需要使用多个输入源进行操作。因此，LTC3118的双输入功能使其适用于使用电池或超级电容作为辅助或备用输入的应用，以防传统的主输入中断。同样，使用多个光源（如墙上适配器和锂离子（Liion）电池）的应用也可以利用新型buckboost DC/DC转换器的双输入功能。

虽然这看起来简单明了，但事实并非如此。根据LT Journal of Analog Innovation的文章 “具有智能PowerPath控制的18 V降压 - 升压转换器提供2 A，双输入效率为95％”作者：Eddy Wells，电源路径损耗，输入源的优先级和来自感应电缆插入的电压尖峰可能导致系统的成本和复杂性。根据Wells的解释，LTC3118通过将双低损耗PowerPath控制器与高效降压 - 升压转换器相结合来解决这些问题，如图1所示。

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图1：LTC3118独特的双开关架构允许从输入源VIN1或VIN2转换为稳压输出电压VOUT，可以高于或低于任一输入。（由Linear Technology提供）

这种新颖的双开关架构允许从输入源VIN1或VIN2转换为稳压输出电压VOUT，该输出电压可高于或低于任一输入。高达18 V的工作电压可为12 V标称电源提供足够的电压裕量。升压或降压工作模式之间的转换是无缝的，没有瞬态，使其适用于对噪声敏感的应用，Linear表示。

对于需要大电流的应用，降压 - 升压转换器可以从各种电源提供高达2 A的连续输出电流，包括单节或多节电池，超级电容器堆栈和墙上适配器。其输入和2.0 V至18 V输出范围内的2.2 V至18 V输入范围可提供高于，低于或等于稳压输出的稳压输出。

LTC3118使用低电平 - 噪声，电流模式控制架构，可快速响应线路或负载瞬变，并在输出端保持严格的调节。智能PowerPath控制器和单电感器降压 - 升压转换器集成在4 mm×5 mm QFN或28引脚TSSOP封装中。为实现开关损耗与外部元件尺寸之间的最佳平衡，转换器以1.2 MHz的固定开关频率工作。系统级功能包括理想的二极管或VIN优先级模式，VIN和VOUT电源就绪指示器，精确的RUN比较器，可编程独立的欠压锁定（UVLO）阈值，以及关断时的输出断开。其他功能包括2μA关断电流，短路保护，软启动，电流限制和热过载保护。

参考文献1中的LT Journal文章提供了一个基于LTC3118的完整应用电路，如图2所示。在该应用电路中，根据参考，2节锂离子电池是置于VIN1上，12 V墙上适配器放置在VIN2上。

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图2：使用降压 - 升压转换器LTC3118的双输入应用电路。（由Linear Technology提供）

在此示例中，选择理想二极管模式以确保12 V适配器存在时的操作。如图3所示，在任一输入源的宽负载范围内都可实现高效率。此外，它表明突发模式操作有助于在任何来源的轻负载下实现高效率。在此应用电路中，电池放置在VIN1上，因为它具有较低的RDS（on）MOSFET，并且在升压模式下能够在低VIN下支持稍高的负载电流。根据此参考，当从电池电压范围的低端（即6 V）驱动时，此电路的最大负载电流为800 mA。

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图3：LTC3118可在任何输入源的宽负载范围内提供高效率。（由Linear Technology提供）

参考文献中提供了更多应用程序。 1，表明LTC3118为双输入设计中的设计人员提供了最大的系统灵活性。

集成解决方案

对于更高的负载电流和单输入，Linear已经准备好了新的降压 - 升压μModule（微型模块）调节器具有更高的输入电压能力。 LTM8056具有5 V至58 V的宽输入电压范围，还提供宽输出电压范围，可调输入和输出平均电流限制。它采用紧凑型BGA封装，提供精确调节的输出电压，可通过1.2 V至48 V的外部电阻分压器进行编程，负载为4 A. BGA封装包括开关降压 - 升压控制器，电源开关，电感器和支持组件（图4）。可选择的开关频率范围为100 kHz至800 kHz，使用SYNC输入和CLKOUT输出引脚轻松实现同步。

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图4：降压 - 升压μModule稳压器LTM8056支持4 A负载时输入电压高达58 V的高输入电压。它采用紧凑型BGA封装，包括开关控制器，电源开关，电感器和支持组件。（由Linear Technology提供）

同样，Intersil还发布了新的集成开关降压 - 升压稳压器ISL91108和ISL91110，可在工作模式之间无缝转换，而不会产生明显的输出干扰。由于采用完全同步的4开关架构，它们可在宽负载变化范围内提供出色的效率（图5）。 ISL91108单元的空载静态电流仅为27.5μA，可在轻负载条件下优化效率。根据产品数据表，还可以选择强制PWM和/或与外部时钟同步用于噪声敏感应用。

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图5：Intersil最新的降压 - 升压稳压器采用完全同步的4开关架构，可在宽范围内提供高效率负载变化。（由Intersil提供）

为了保持较小的电源解决方案，降压 - 升压稳压器ISL91108和ISL91110的开关频率为2.5 MHz。这些单元采用先进的晶圆级CSP封装，以减少器件的占位面积。此外，开关降压 - 升压稳压器仅需要一个电感器和极少的外部元件即可完成解决方案（图6）。

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图6：ISL91108的典型固定输出应用电路表明，只需一个电感和一些外部元件即可完成解决方案。（由Intersil提供）

在3.3 V时输出电流高达2 A，ISL91110是该系列中最高电流的开关稳压器，输入电压低至2.5 V.其静态电流为35μA 。同样，ISL91108在3.3 V时的额定电流为1.6 A，输入电压低至2.8 V.其静态电流仅为27.5μA。

总之，新一代降压 - 升压转换器带来了许多新功能和功能，以满足更广泛的应用。除了提供降压和升压模式之间的无抖动转换外，它们还可以从各种电源提供高转换效率的高负载电流。此外，输入电压范围和输出一样加宽。

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