不同電源轉換器技術(shù)規格中的一個(gè)明顯變化就是需要將寬范圍的輸入電壓轉換為經(jīng)穩壓的輸出電壓。然而，如果未經(jīng)穩壓的輸入電壓在經(jīng)穩壓輸出電壓的設定點(diǎn)以上、以下或者是與之相等的范圍內不斷變化，而需要進(jìn)行降壓-升壓轉換時(shí)，這個(gè)任務(wù)就會(huì )變得更加具有挑戰性。降壓-升壓轉換對于大量應用是必不可少的，這些應用包括電池充電、固態(tài)照明、工業(yè)計算和汽車(chē)應用。
這篇文章簡(jiǎn)要回顧了與4開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉換器設計相關(guān)的很多因素。特別回答了組件選型和功耗計算方面的問(wèn)題，以及用快速啟動(dòng)計算器工具[3] 來(lái)協(xié)調和加快轉換器設計流程的問(wèn)題。
同步降壓-升壓轉換器運行
作為一個(gè)既提供升壓轉換又能執行降壓轉換的有效方法，一款設計合理的降壓-升壓電路由于其便利性而成為一個(gè)不可或缺的器件。我們來(lái)復習一下圖1中所示的4開(kāi)關(guān)（非反向）同步降壓-升壓拓撲。
降壓-升壓功率級的主要優(yōu)點(diǎn)在于，降壓、升壓、以及降壓-升壓轉換模式可以按照需要在寬輸入電壓和負載電流范圍內實(shí)現高效率。和與之相類(lèi)似的單開(kāi)關(guān)（反向）降壓-升壓相比，它還提供一個(gè)正的輸出電壓，以及相對于SEPIC、反激式和級聯(lián)升壓-降壓拓撲較低的功率損耗和更高的功率密度。
圖1. 4開(kāi)關(guān)同步降壓-升壓轉換器功率級。
在圖1中，4個(gè)功率MOSFET被安排為H橋配置中的降壓和升壓橋臂，其中的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)SW1和SW2由電感器LF 相連。當輸入電壓分別高于或低于輸出電壓時(shí)，同步降壓或升壓開(kāi)始運行，而對面非開(kāi)關(guān)橋臂的高側MOSFET運行為導通器件。更重要的一點(diǎn)是，當輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)降壓或升壓橋臂達到預期的占空比限值，從而觸發(fā)向降壓-升壓工作模式的轉換。操作模式的變化應該平滑順暢、并且是自主進(jìn)行的，無(wú)需改變控制配置。這一目的的實(shí)現方式，以及功率級與控制機制可能存在的相互依賴(lài)關(guān)系是非常重要的。
例如，作為一款特定的降壓-升壓控制器，LM5175[4]在降壓-升壓模式中采用一個(gè)獨特的機制，降壓和升壓橋臂以準交錯的方式在減少的頻率上切換，從而在效率和功率損耗方面有著(zhù)顯著(zhù)優(yōu)勢。峰值電流模式和谷值電流模式降壓控制技術(shù)可實(shí)現平滑順暢的模式變換，需要的只是一個(gè)用于電流感測的低側已配置分壓電阻器�；赩IN和VOUT之間差異的斜坡補償實(shí)現方式往往為無(wú)差拍響應，并且標志著(zhù)一個(gè)增加電源抑制 (PSR) 和抑制線(xiàn)路瞬變的好方法。
針對電流模式降壓-升壓轉換器的設計流程
圖2中繪制的是一個(gè)4開(kāi)關(guān)同步降壓-升壓轉換器完整的電路原理圖。這個(gè)電路原理圖包括針對功率級、柵極驅動(dòng)器的自舉電路、電流感測網(wǎng)路的組件，以及用于實(shí)現更低電磁干擾 (EMI) 的展頻頻率調制 (SSFM)、[5]可編程欠壓閉鎖(UVLO)、輸出反饋和環(huán)路補償的組件。
圖2.具有電流模式控制器的4開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉換器的電路原理圖。
一個(gè)快速啟動(dòng)工具資源[3]提供了一個(gè)針對4開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉換器的分析與設計框架。步驟是從轉換器技術(shù)規格到組件選型，再到性能審驗（效率、組件耗散和波特圖），如果需要的話(huà)，之后是重復設計。將LM5175同步降壓-升壓控制器作為起點(diǎn)，讓我們來(lái)一步步地回顧一下400kHz轉換器的設計流程；這款轉換器在6A額定電流下，在輸入源為6V至42V電壓時(shí)，提供一個(gè)12V輸出。
步驟1：運行技術(shù)規格
圖3中的屏幕截圖顯示的是步驟1，或針對輸入電壓范圍、輸出電壓、負載電流和開(kāi)關(guān)頻率的用戶(hù)技術(shù)規格條目。
步驟2：電感器篩選
電感取決于輸入電壓范圍和目標峰值到峰值電感器紋波電流比。方程式1分別設定了30%和80%時(shí)，深度升壓和深度降壓運行點(diǎn)內的目標紋波電流比。
有3個(gè)主要參數可以證明電感器性能—電阻 (DCR)、飽和電流 (ISAT)和內核損耗。具有鐵粉磁芯材料的電感器在高達400kHz的開(kāi)關(guān)頻率上具有突出的性能，從而成為很多應用中的主流解決方案。值得注意也十分理想的特性就是電感會(huì )隨著(zhù)電流的增加而逐漸減少。同時(shí)，以鐵氧體為磁芯的電感器具有相對低的內核損耗，雖然它們會(huì )在飽和剛剛開(kāi)始時(shí)防止電感驟降。
圖3. 步驟1到3分別是指運行技術(shù)規格、電感器篩選和電流感測。這個(gè)電路原理圖是根據輸入的以及計算出來(lái)的組件值自動(dòng)組裝而成。
步驟3：分路電阻
根據針對電流限值的相關(guān)閾值設定分路電阻。例如，方程式2適用于LM5175，并在降壓中指定80mV谷值閾值，在升壓中指定160mV的峰值閾值。當升壓占空比在其最大值時(shí)，分路功率耗散在最低輸入電壓上達到峰值。一個(gè)寬縱橫比分路電阻器，比如說(shuō)封裝規格為1225的電阻器，有利于將PCB布局布線(xiàn)中的元件放置位置[5]靠近兩個(gè)低側MOSFET的源極連接。
下一步，斜坡補償獲得感測到的信號，并且在降壓模式中，增加一個(gè)等于電感器斜升的斜坡分量，或者在升壓模式中增加一個(gè)與電感器漸降相等的斜坡分量。方程式3中給出了斜坡電容[4] 的計算方式
步驟4和5：輸入與輸出電容器篩選
在圖4中，步驟4和5是指分別由降壓和升壓工作模式設定的輸入和輸出電容值。高密度設計越來(lái)越多地將數個(gè)X5R-或X7R-介質(zhì)陶瓷元件組合在一起，有時(shí)還附帶著(zhù)一個(gè)小尺寸電解電容器來(lái)實(shí)現大批量?jì)δ芄δ�。方程�?使用針對峰值到峰值的紋波電壓，在假定沒(méi)有等效串聯(lián)電阻 (ESR) 紋波分量的情況下設定基線(xiàn)電容估計值。
然后，在電容值被選中后，在知道ESR的情況下，反算出各自的峰值到峰值的紋波電壓
輸入電容器RMS電流（以及紋波電壓）在降壓模式期間，占空比為50%時(shí)達到最大值。另一方面，最高輸出電容器RMS電流出現在升壓模式期間占空比達到最大值的時(shí)候。RMS電流的表達式為
圖4. 步驟4至7是指電容器選型、補償器設計、以及波特圖分析。
步驟6：軟啟動(dòng)、抖動(dòng)、欠壓閉鎖 (UVLO)
根據啟動(dòng)時(shí)間技術(shù)規格，所需的軟啟動(dòng)電容值為
下一個(gè)選項是使用方程式8來(lái)選擇抖動(dòng)電容值，以設定展頻調制頻率[5]，在這里，Gd是與控制器相關(guān)的電導系數。
欠壓閉鎖電阻器分別設定了針對轉換器啟動(dòng)與關(guān)斷的上升和下降輸入電壓閾值。選擇上限UVLO電阻值來(lái)設定遲滯。那么，如果VNV(ON)是UVLO比較器上限閾值，相應的下限UVLO電阻值最終為[4]
步驟7：環(huán)路補償
小信號控制環(huán)路補償性能由2個(gè)基礎波特圖度量標準測定：交叉頻率和相位裕量。由RC和CC1決定的補償器零頻率提供交叉頻率之前的相位提升。位于輸出電容器ESR零點(diǎn)附近（或者是開(kāi)關(guān)頻率的一半，以低者為準），隨CC2建立起來(lái)的一個(gè)極點(diǎn)提供噪聲衰減，并且盡可能地將到COMP節點(diǎn)的輸出紋波傳播降到最低。使用以下方程式選擇補償組件
要微調已經(jīng)增加的帶寬，只需增加補償電阻RC，并且按照需要調整針對相位裕量的CC1。當然，與升壓相關(guān)的右半平面零點(diǎn) (RHPZ)，以及交叉頻率低于RHPZ頻率的50%，實(shí)現可以接受的相位裕量等約束條件由以下方程式給出
需要指出的是，由于已減少的電流模式調制器增益（與1-DBOOST成比例），升壓模式中的交叉頻率往往較低。的確，在最低輸入電壓時(shí)對波特圖的快速檢查可以很清楚的看出補償器零點(diǎn)是否有助于在交叉頻率附近實(shí)現足夠相位。
步驟8：效率預測
圖5中顯示的步驟8提供了效率和組件功率耗散與線(xiàn)路和負載之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖。
所有4個(gè)功率MOSFET的特征值以導通狀態(tài)電阻、柵極電荷、柵極電阻、轉導、柵源閾值電壓，以及體二極管正向壓降和反向恢復電荷參數為中心發(fā)生變化。當然，升壓中的電感器運行電流要高于降壓下的電感器運行電流，不過(guò)額定電壓為VOUT的升壓橋臂MOSFET通常比額定電壓為最大VIN的降壓橋臂器件具有較低的RDS(ON)。
方程式12和13分別計算降壓和升壓模式下的傳導、開(kāi)關(guān)和柵極驅動(dòng)損耗。針對降壓-升壓模式的相應表達式是方程式12和13的權重組合，其依據是降壓-升壓窗口中的運行點(diǎn)，并且將頻率除以2。
正如預期的那樣，電感器覆銅和磁芯損耗、開(kāi)關(guān)死區傳導損耗、分路損耗，以及偏置穩壓器損耗也會(huì )對效率的計算值產(chǎn)生影響。如果從總體上考慮損耗的話(huà)，一個(gè)具有12V經(jīng)穩壓輸出的4開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉換器完全可以在寬范圍的輸出電流和輸入電壓范圍內實(shí)現96%以上的效率。
圖5. 步驟8是指MOSFET技術(shù)規格、效率曲線(xiàn)圖和功率損耗分析。
總結
針對工業(yè)和汽車(chē)應用的降壓-升壓轉換器具有獨特的電源解決方案要求。在證明其易用性、高效率、小巧尺寸和較低的總體物料清單成本后，4開(kāi)關(guān)同步降壓-升壓轉換器提供集合優(yōu)勢，以滿(mǎn)足所需的主要功能。如果其中涉及組件相互關(guān)聯(lián)和功能取舍，一款快速啟動(dòng)的計算器對于加快和簡(jiǎn)化轉換器設計來(lái)說(shuō)絕對是一個(gè)便捷的工具。 |
