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降压-升压转换器原理与选型:听听电源工程师怎么说

2019-08-08
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【描述】采用合适的降压-升压转换器,可以让电路设计变得简单。本文介绍降压-升压转换器的工作原理、工作模式,以及降压-升压转换器的选型要素。

直流电源转换器 (DC-DC converter) 常见有三种基本技术:降压 (buck)、升压 (boost) ,以及降压-升压(buck-boost)。在一般电源应用上,降压转换器用于产生低直流输出电压,升压转换器用于产生高直流输出电压,降压-升压转换器的输出电压既可以用于产生小于输入的电压,也可以用于产生大于输入的电压。小编在本文介绍降压-升压转换器是如何工作的。

电路原理


顾问思义,降压-升压转换器结合了降压、升压两种功能。降压-升压转换器的简单工作原理,参见图1,这是个高效的降压-升压转换器简单结构图。
图1,降压-升压转换器的简单结构图

这样的器件譬如ADI公司的ADP2503和ADP2504降压-升压转换器,它们内置四个开关、两个电容和一个电感。

图2,ADP2503/ADP2504结构框图


在降压或升压模式下工作时,只要主动操作其中两个开关,就可以降低降压-升压转换器工作时产生损耗,提高效率。


降压模式


在降压模式下, 降压-升压转换器工作如下图,Vin大于Vout时,开关C打开,开关D闭合。

 
图3,典型的降压模式操作

升压模式


在升压模式下,Vin小于Vout 时,开关B打开,开关A闭合。这时,开关C和开关D的工作模式如下图表示。

图4,典型的升压模式操作


降压-升压模式


请留意,当VinVout ±10%范围内,此时转换器会进入降压-升压模式。在降压-升压模式下,两种工作状态(降压和升压)会在一个开关周期内发生。此时须要特别注意降低损耗、优化效率,以及消除由于模式切换造成的不稳定性。这么做的目的标是要维持输出电压稳定,以及电感上的电流纹波降至最小,从而得到较好的瞬态性能。


关键参数


在Digi-Key官网上可以清楚查看不同降压-升压转换器的一些关键参数,方便用户筛选合适的降压-升压转换器。


图5,Digi-Key官网上的降压-升压转换器的参数选项

在降压-升压转换器选型时,一些需要留意的关键参数包括:


 1   输出电压范围 (最大和最少的輸出电压) 和转换器输出类型


降压-升压转换器可以支持固定或可调的输出电压,也有可编程类型。可编程类型降压-升压转换器,如下图中的LTC3129,可通过外部分路电阻使输出电压达到应用的需要。

图6,LTC3129可编程类型降压-升压转换器

 2  开关频率 


低功耗降压-升压转换器通常在500kHz至3MHz之间工作。更高的开关频率允许使用更小的电感器并减少PCB上需要的空间,但每增加一倍的开关频率,效率会降低约2%


 3  软启动


具有 “软启动”功能很重要,这使得输出电压以可控方式缓缓上升,从而避免启动时出现输出电压过冲现象。


 4   静态电流 (Iq)


器件的Iq越低,则效率越高。然而,Iq可以针对许多条件进行规定,包括关断、负载、脉冲频率(PFM)工作模式或脉冲宽度(PWM)工作模式。因此,为了确定某个应用的最佳转换器,最好查看特定工作电压和负载电流下的实际工作效率。


 5   空占比 (D)


占空比 = 开关开通的时间/ 工作同周期。开通和关闭开关影响了电感能量的储存和释放,从而影响输出的电压。


所以要计算降压模式的最小占空比和升压模式的最大占空比。这些占空比很重要,因为在这些占空比下,可以知道转换器工作范围的极限。占空比总是正数且小于1。

其中,

Vin max = 最大输入电压

Vin min = 最小输入电压

Vout = 所需的输出电压

Dbuck = 降压模式的最小占空比

Dboost = 升压模式的最大占空比

η=以Vin、Vout 和 Iout 计算的估计效率

本文小结

采用合适的降压-升压转换器,可以让电路设计变得简单。在挑选降压-升压转换器時候,一些关键参数需要留意,这些参数包括:

·      输出电压范围和转换器输出类型

·      开关频率

·      软启动

·      静态电流

·      占空比


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