為什么 Buck-Boost 芯片沒有輸出負壓?圖文結(jié)合
今天給大家分享的是:為什么 Buck-Boost 芯片沒有輸出負壓?
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202407/460554.htm不知道大家在項目于上使用Buck-Boost芯片時,有沒有這樣的疑問:選用的明明是升降壓變換器,也在單板上正常使用了,但是輸出并不是負壓!
應該很多人有過這樣的設計:輸入電壓是2.5~5V,輸出3.3V,DC-DC芯片選用的就是Buck-Boost芯片,輸出也的確是正的3.3V,并不是基礎拓撲說的負壓!
那到底是原因?qū)е碌哪兀?/span>
一、標準的Buck-Boost變換器的拓撲
先了解標準的 Buck-Boost 變換器的拓撲。當 Q1 開關(guān)管導通時,輸入電壓對電感進行充電,此時二極管D1截止。
當 Q1 開關(guān)管閉合時,電感阻止電流的降低,感應出的電流對負載充電,此時二極管 D1導通,則負載下端電壓高,上端電壓低,如果將下端作為 GND,輸出即為負壓。
標準的Buck-Boost變換器的拓撲
按照 Buck-Boost 的工作原理,輸出確實應該就是負壓,但實際上各大廠商提供的Buck-Boost芯片很少是輸出負壓的。
比如 MP28160芯片,從芯片外部來看,就一個電感。從芯片的描述來看,明明就是 Buck-Boost 芯片,但是輸出卻是正電壓。
MP28160芯片外部
要解決上面的疑問,還要深入到芯片內(nèi)部來看。
下面是 MP28160 的內(nèi)部框圖,竟然有四個MOS管。這和最開始介紹的Buck-Boost拓撲并不一樣!沒有二極管,而且多了三個MOS管。
MP28160 的內(nèi)部框圖
現(xiàn)在,我們來推導一下,從負壓的 Buck-Boost 怎么得到正壓的四管的 Buck-Boost。
二、從負壓的Buck-Boost怎么得到正壓的四管的Buck-Boost?
1、目標是輸入2.5V~5V,輸出3.3V,可以先升壓再降壓
如下圖所示,將兩個拓撲串聯(lián)起來,完全可以實現(xiàn)目標需求,而且是正壓輸出。
但是這里有兩個電感,而且需要兩個控制器,一個降壓,一個升壓,同時這里還有兩個二極管,損耗比較高,效率低,且成本高。
2、為了解決上述問題,將二極管換成 MOS 管
只要合理控制上述4個MOS管的開通和關(guān)斷時序,完全可以實現(xiàn)升壓,降壓功能,且輸出正壓。
但是這里還是有個問題沒解決——存在兩個電感!
3、為了解決兩個電感的問題,改用降壓和升壓串聯(lián)
這種方案相比升壓和降壓串聯(lián),只有一個電感,輸出正壓,更接近目標的需求。但是因為存在兩個二極管,還是會存在效率低,無法用在大功率的場合。因此,還需要進一步優(yōu)化。
4、將二極管更換為MOS管
經(jīng)過上述4步的變換,既可以實現(xiàn)了目標需求,同時還和剛剛看到的 MP28160芯片內(nèi)部的拓撲框圖一致,這說明,使用降壓和升壓拓撲串聯(lián),其實是可以實現(xiàn)升降壓的。
所以,大家在單板上使用的Buck-Boost芯片,更為準確的說應該是四管單電感升降壓變換器。與最初大家所熟知的,帶有二極管的負極性的Buck-Boost拓撲并不是描述的同一個電路拓撲。
三、對于上述4個MOS管的拓撲,是如何實現(xiàn)所需要的電壓?
在 MP28160 Datasheet 上找到相關(guān)的描述,MOS管的開通的關(guān)斷會自動根據(jù)輸入和輸出電壓的關(guān)系,進行MOS時序控制。
MP28160 Datasheet
1、當輸入電壓高于輸出電壓時,工作在 Buck模式
Buck 模式時序如下,這種模式下要求Q3一直需要導通。
2、當輸出電壓高于輸入電壓時,工作在Boost模式時
時序如下,這種模式下要求Q1一直需要導通。
3、當輸入電壓和輸出電壓接近時,工作在Buck-Boost模式
這種模式存在兩種方式:
(1)當輸入電壓高于輸出電壓時,此時有Buck充電和Boost充電兩種方式,而只有Buck放電一種方式;
Buck充電方式,MOS管工作時序
Buck充電方式,MOS管工作時序
Boost充電方式,MOS管工作時序
Boost充電方式,MOS管工作時序
Buck放電方式,MOS管工作時序
Buck放電方式,MOS管工作時序
(2)當輸出電壓高于輸入電壓時,此時只有Boost充電一種方式,而有Buck放電和Boost放電兩種方式;
Boost充電方式,MOS管工作時序
Boost充電方式,MOS管工作時序
Buck放電方式,MOS管工作時序
Buck放電方式,MOS管工作時序
Boost放電方式,MOS管工作時序
Boost放電方式,MOS管工作時序
從上面的分析可以看出,四管升降壓的拓撲相比帶有二極管的負壓Buck-Boost而言,工作模式多樣,控制方式也比較復雜,在PCB布局設計時要求也更高,因為出現(xiàn)了更多SW節(jié)點和功率回路。
四、總結(jié)
基礎的Buck-Boost拓撲,輸出的確是負壓。但是在實際工作應用中,需要Buck-Boost拓撲,且輸出負壓的并不多。目前被廣泛使用的,只有一個電感的升降壓電路,準確的來說,并不是我們常說的Buck-Boost基礎拓撲。
只不過是四管單電感的這種拓撲恰好實現(xiàn)了升降壓的功能,而且還僅僅就一個電。因此,這種升降壓電路更為準確的說法應該是:四管單電感升降壓型Buck-Boost拓撲。
四管的工作時序和模式和輸入和輸出電壓有較強的關(guān)聯(lián)系,當輸入大于輸出時,Buck多,Boost少;當輸出大于輸入時,Buck少Boost多。
回到開頭的疑問,基礎的、三種非隔離的DC -DC拓撲之一的Buck-Boost,輸出是負壓。但是,目前使用較多的,輸出是正壓的,應該是四管單電感升降壓型拓撲,很明顯它屬于Buck-Boost,但作為硬件開發(fā)人員,需要做好區(qū)分,而不能混為一體。
來源:《大話硬件》
https://mp.weixin.qq.com/s/Xv_ADhyq5Ag1sU6VgidXLQ
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