非反向降壓-升壓轉換器的拓撲結構和如何實現應用設計

簡介

降壓-升壓轉換器被廣泛應用于工業用個人計算機（IPC），銷售點（POS）系統，和汽車啟停系統。在這些應用中，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。單端初級電感器轉換器（SEPIC），Zeta 轉換器和雙開關降壓-升壓轉換器具有正向或非反向輸出。然而，與基本反向降壓-升壓轉換器相比，所有這三個非反向拓撲結構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-升壓轉換器的操作原理、電流應力和功率損耗分析，并且提出高效非反向降壓-升壓轉換器的設計標準。

反向降壓-升壓轉換器

圖表1顯示了基本反向降壓-升壓轉換器的電路原理圖，連同連續傳導模式（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體場效應晶體管（MOSFET），一個二極管，和一個電感器組成。當MOSFET （Q1）接通時（ON），流經電感器（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。這導致電感器內的電能累積。當Q1接通時，輸出電容器提供全部負載電流。當Q1關閉時，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-升壓轉換器的電壓轉換率可表示為：

在這里，D是Q1的占空比，并且始終在0至1的范圍內。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。

傳統非反向降壓-升壓轉換器

反向降壓-升壓轉換器不能滿足需要正向輸出電壓的應用的要求。SEPIC，Zeta，和雙開關降壓-升壓轉換器是三種常見的非反向降壓-升壓拓撲結構。Zeta 轉換器，也被稱為反向SEPIC，它與SEPIC相類似，但是不如SEPIC那么受歡迎，其原因在于這類轉換器需要一個會增加電路復雜度的高側驅動器。

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

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-升壓轉換器相類似，一個SEPIC轉換器具有一個單個MOSFET （Q1）和一個單個二極管（D1）。SEPIC轉換器中的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電阻（ESR）的陶瓷電容器，而這樣通常會使成本增加。SEPIC轉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，現貨供應的耦合電感器的選擇范圍有限。有時需要定制設計，這一也增加了成本和交貨時間。

一個傳統雙開關降壓-升壓轉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，轉換器運行在降壓-升壓模式，而電壓轉換率也可由等式2計算得出。這可以確保雙開關降壓-升壓轉換器執行非反向轉換。在圖表3中顯示了運行在降壓-升壓模式和CCM 模式下的雙開關降壓-升壓轉換器的理想波形。在Q1和D1上都出現值為VIN的電壓應力，而Q2 和D2上的電壓應力值均為VOUT 。在忽略電感器紋波電流的情況下，Q1，Q2，D1 和L1 上的電流應力值均為IIN + IOUT 。相對較多的功率器件數量和降壓-升壓模式中的高電流應力值會妨礙轉換器的高效率。

雙開關降壓-升壓轉換器的工作模式優化

雙開關降壓-升壓轉換器是一個降壓轉換器與其后面的一個升壓轉換器的級聯組合。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-降壓-升壓轉換器還可以運行在降壓或升壓模式中。通過在VIN高于VOUT 時使轉換器運行在降壓模式，并且在VIN低于VOUT 時使轉換器運行在升壓模式，可實現降壓-升壓功能。

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

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，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的傳導損耗保持不變，由于D2始終處于傳導狀態，降壓模式中的反向恢復損耗被消除。

通過將Q1一直保持在接通狀態，D1被反向偏置偏壓并且保持斷開狀態，然后雙開關降壓-升壓轉換器運行在升壓模式下。與典型升壓轉換器相類似，通過控制Q2來調節-輸出電壓。圖表5中顯示了升壓模式下的等效電路，以及CCM模式中的相應理想波形。電壓轉換率與典型升壓轉換器中的轉換率一樣：

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力值，在升壓模式下可以實現比降壓-升壓模式更高的效率。

高效雙開關降壓-升壓轉換器的實現

雙開關降壓-升壓轉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范圍內的升壓和降壓轉換效率不高。

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范圍內實現高效率。然而，由于多個工作模式和導致的不同模式之間的轉換，其控制十分復雜。在很多應用中，輸入電壓通常只在短時間內會下降到低于輸出電壓的水平。在這些應用中，升壓轉換效率不像降壓轉換效率那么關鍵。同樣地，降壓和降壓-升壓模式的組合很好地平衡了控制復雜度和效率之間的關系。

圖表6顯示了使用德州儀器（TI）生產的LM5118 雙模式控制器來實現雙開關降壓-升壓轉換器的實際方法。這個轉換器在輸入電壓高于輸出電壓時充當降壓轉換器的角色。隨著輸入電壓接近并超過輸出電壓，它轉變為降壓-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換區域，以便消除轉換期間對輸出電壓的干擾。

在這個示例中，標稱輸出電壓為12V 。當VIN高于15.5V 時，轉換器運行在降壓模式。當VIN下降到13.2V 以下時，轉換器的工作模式變為降壓-升壓模式。當VIN介于15.5V 和13.2V 之間時，轉換器運行在轉換模式。圖表7顯示了開關節點1 （SW1）和開關節點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。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，轉換器可提高降壓轉換的效率。