DC-DC----升-降型的工作原理

【資料圖】

引言：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是降壓和升壓功率級的組合，共享相同的電感器。降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很實用，因為輸入電壓可以比輸出電壓更小、更大或相同。

1.雙開關(guān)型升-降壓

升-降壓型一般有兩種拓?fù)洌弘p開關(guān)型(圖5-1)和四開關(guān)型(圖5-2)，從雙開關(guān)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看到，其和反相型DC-DC結(jié)構(gòu)一樣。這主要涉及到理解方式：當(dāng)不關(guān)注反相這個屬性時(負(fù)電壓)，取Vout絕對值：

當(dāng)D=0.5時，Vout=Vin;當(dāng)D<0.5時，Vout0.5時，Vout>Vin，這樣既可以實現(xiàn)升壓也可以實現(xiàn)降壓。在這種拓?fù)渲校斎?u>電流和輸出電流都已被執(zhí)行“斬波”，也就是說這些電流之間是不連續(xù)的，而且轉(zhuǎn)換時間非常短(電容補(bǔ)充電流)。相關(guān)波形回看DC-DC-4：反相型的工作原理，相比普通升壓轉(zhuǎn)換器，生成的輸出電壓中所含的電壓尖峰可能會更多。對于這些問題，可以通過適當(dāng)大小的輸出電容器或后置穩(wěn)壓濾波器來解決。

圖5-1：雙開關(guān)型升-降壓拓?fù)?/p>

開關(guān)管導(dǎo)通，S2截止，電感器儲能，電流回路為：輸入VIN--->S1--->電感器L

開關(guān)管關(guān)斷，S2導(dǎo)通，電感器釋能，電流回路為：電感器L--->電容Cout--->負(fù)載RL--->S2

2.四開關(guān)型升-降壓

四開關(guān)型就是純粹升壓和降壓型的縫合體，當(dāng)S2保持關(guān)閉不導(dǎo)通時，就變?yōu)榻祲和負(fù)?DC-DC-2：降壓型的工作原理)，此時S1為上管;當(dāng)S1保持打開導(dǎo)通時，就變?yōu)樯龎和負(fù)?DC-DC-3：升壓型的工作原理)，此時S2變?yōu)橄鹿堋?肖特基二極管做續(xù)流元件已經(jīng)屬于比較落后的技術(shù)，后面的模型以及講解均以MOS來作續(xù)流元件，即同步模式)

圖5-2：四開關(guān)型升-降壓拓?fù)?/p>

當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內(nèi)的傳輸區(qū)域中工作時，處理這些情況有兩種方式：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關(guān)循環(huán)在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關(guān)頻率的一半運(yùn)行。交替方式可以在輸出端引起次諧波噪聲，而與常規(guī)降壓或升壓工作相比，輸出電壓精度可能不那么精確，但與同時有效方式相比，因為減少了開關(guān)損耗，轉(zhuǎn)換器將更加有效。

根據(jù)輸入電壓和設(shè)置輸出的電阻值，器件可以在降壓模式、降壓-升壓模式和升壓模式之間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時，工作在降壓模式，當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時工作在升壓模式。當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，交替地以一周期降壓和一周期升壓模式操作。開關(guān)頻率一般由外部電阻器設(shè)置。為了減少高功率條件下的開關(guān)功率損耗，建議將開關(guān)頻率設(shè)置在500kHz以下。如果系統(tǒng)需要高于500kHz的較高開關(guān)頻率，建議設(shè)置較低的開關(guān)電流限制，以獲得更好的熱性能。

降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸入和輸出端都有脈沖電流，因為任一方向都沒有LC濾波器。對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可以分別使用降壓和升壓功率級計算。具有兩個開關(guān)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器適用于50W至100W之間的功率范圍(雙開關(guān)型)，同步整流功率可達(dá)400W(四開關(guān)型)。建議使用與未組合降壓和升壓功率級相同的電流限制的同步整流器。另外需要為升壓級設(shè)計降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，因為RHPZ(右半平面零點(diǎn)問題)會限制穩(wěn)壓器帶寬。

圖5-3：切換成降壓模式工作圖

圖5-3為切換成降壓模式的工作狀態(tài)，在降壓工作期間，S3保持打開，S4保持關(guān)閉。S1和S2交替工作。

圖5-4：切換成升壓模式工作圖

圖5-4為切換成升壓模式的工作狀態(tài)，在升壓工作期間，S1保持打開，S2保持關(guān)閉。S3和S4交替工作。

3.不同狀態(tài)下的工作波形

以下Vout為輸出電壓，SW1和SW2是電感兩端的節(jié)點(diǎn)(SW1為圖5-4S1和S2的連結(jié)點(diǎn)，SW2為S3和S4的連結(jié)點(diǎn))，IL為流經(jīng)電感的電流。

圖5-5：VIN=12V，Vout=5V，Iout=5A，工作在FPWM模式

圖5-5展示了在降壓重載模式下，器件以FPWM(快速PWM)輸出電壓調(diào)節(jié)模式工作。SW2驅(qū)動信號拉平，表明器件進(jìn)入降壓拓?fù)洹?/p>

圖5-6：VIN=12V，Vout=5V，Iout=0A，工作在PFM模式

圖5-6展示了在降壓輕載模式下，器件切換到PFM輸出電壓調(diào)節(jié)模式工作，可以看到降壓和升壓級同時有效，Vout波形更寬，噪聲變大。

圖5-7：VIN=12V，Vout=12V，Iout=3A，工作在FPWM模式

圖5-7展示了在等壓重載模式下，器件以FPWM(快速PWM)輸出電壓調(diào)節(jié)模式工作。其中SW1和SW2交替工作，即交替地以一周期降壓和一周期升壓模式操作。

圖5-8：VIN=12V，Vout=12V，Iout=0A，工作在PFM模式

圖5-8展示了在等壓輕載模式下，器件以PFM輸出電壓調(diào)節(jié)模式工作。其中降壓和升壓級同時有效。

圖5-9：VIN=12V，Vout=20V，Iout=2A，工作在FPWM模式

圖5-9展示了在升壓重載模式下，器件以FPWM(快速PWM)輸出電壓調(diào)節(jié)模式工作。其中S1驅(qū)動信號拉平，表明器件進(jìn)入升壓拓?fù)洹?/p>

圖5-10：VIN=12V，Vout=20V，Iout=0A，工作在PFM模式

圖5-10展示了在升壓輕載模式下，器件以PFM輸出電壓調(diào)節(jié)模式工作。其中降壓和升壓級同時有效。

圖5-11：VIN=9V~20V(波動間隔200us)，Vout=12V，Iout=3A的線路瞬態(tài)波形，F(xiàn)PWM

圖5-11展示了VIN在輸入高低切換之間，模式轉(zhuǎn)變，電流回路的急劇變化，造成了輸出振鈴和跌落(正常現(xiàn)象但需要滿足標(biāo)準(zhǔn))。另外Vout和IL的前后波形寬度對比，也說明了升壓與降壓之間的特點(diǎn)。

圖5-12：VIN=12V，Vout=5V，Iout=2.5A~5A(波動間隔20us)的負(fù)載瞬態(tài)波形，F(xiàn)PWM

圖5-12展示了降壓工作時，負(fù)載變化使電感存在瞬間逆變，影響了Vout(正常現(xiàn)象，但需要滿足標(biāo)準(zhǔn))。

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