降壓/升壓轉(zhuǎn)換器隨時代變遷

　　降壓/升壓轉(zhuǎn)換器提供的電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。如果設(shè)計方案的輸入電壓會劇烈變化，或者如果其負(fù)載電壓會變化，則該特性就有用武之地。

　　要 點

　　·降壓/升壓轉(zhuǎn)換器在汽車、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和其它應(yīng)用中找到了用武之地。

　　·簡單的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器和 Cuk 轉(zhuǎn)換器使輸入電壓逆變。

　　·SEPIC（單端初級電感轉(zhuǎn)換器）和四開關(guān)同步 H 橋降壓/升壓轉(zhuǎn)換器不會使輸入電壓逆變。

　　·許多公司在為手持系統(tǒng)市場生產(chǎn)同步四開關(guān)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。

　　·多數(shù)降壓/升壓體系結(jié)構(gòu)具有 80% ~ 85% 效率，而同步四開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率高于 92%。

　　降壓/升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合多種應(yīng)用。不論是用電池給電池充電，為一串LED供電，還是依靠單節(jié)電池運(yùn)行手持設(shè)備，降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均能提供一種重要的設(shè)計技巧。不論是需要低成本、高效率，或是低噪聲，降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的某個版本均能解決問題。并且，如果降壓/升壓設(shè)計是為多種產(chǎn)品工作，則能省卻為每個負(fù)載電壓設(shè)計單獨(dú)電源的大量工作。然而，正如任何類型的設(shè)計一樣，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器也有自己的設(shè)計難題。

　　例如，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的一種常見應(yīng)用：電池對電池充電，比如用車載電池給10.8V鎳金屬氫化物電池（NiMH）充電（圖1a）。乍一看，人們也許會認(rèn)為可使用低壓差線性穩(wěn)壓器來執(zhí)行這項任務(wù)，這是因為穩(wěn)壓器的10.8V電壓接近12V鉛酸電池的電壓。但是，如果車正在行駛，則電池的充電電壓為13.75V~14.2V，表明也許需要使用開關(guān)穩(wěn)壓器來防止功率損耗。人們也許仍然認(rèn)為簡單的降壓穩(wěn)壓器應(yīng)該能夠勝任這項工作。然而，鎳金屬氫化物電池是從恒定電流接收電荷，因此它們的電芯電壓升至每芯1.4V~1.6V。因此，對于9芯10.8V電池組，電荷終結(jié)電壓必須達(dá)到12.6V。能在100mV壓降情況下供電的現(xiàn)代同步降壓穩(wěn)壓器也許仍能做這項工作，但該方法假定車在行駛。然而，在轎車診斷測試儀器的真實應(yīng)用中，必須假設(shè)一些車沒有啟動。鉛酸汽車電池在13V~14V充電，而無負(fù)載電壓為12V。顯然無法用12V電源和降壓穩(wěn)壓器把9芯鎳金屬氫化物電池充到其12.6V終結(jié)電壓。

　　汽車測試儀器應(yīng)用也許很深奧，但系統(tǒng)設(shè)計者面臨一個常見得多的問題：如何用一個鋰離子電芯為3.3V手持電子系統(tǒng)供電（圖1b）？想想使用Windows的手持電腦。它的存儲器等數(shù)字電子部件必須依靠3.3V電源工作，而一個鋰離子電芯提供3V~3.7V電力，因此讓3.3VIC以3V運(yùn)行也許很誘人。然而在電源電壓范圍方面，數(shù)字工藝不如模擬工藝寬松，以至于一些制造商拒絕說明芯片在3V的特性。

　　另一種方法是采用兩個鋰離子電芯，然而，該方法有一些劣勢。首先，應(yīng)想到作為電源，電池的問題比電芯多。人們必然會擔(dān)心可靠性：如果任何一個電芯由于斷路而失效，則系統(tǒng)會喪失電力。如果任何一個電芯短路，則內(nèi)部易熔元件會熔斷——希望熔斷不會引發(fā)火災(zāi)。無論如何，短路之后產(chǎn)品都無法正常工作。同樣麻煩的是電芯電荷平衡問題。由于電池是金屬電鍍裝置，因此通過把鉛、鋰或鎳從陰極電鍍到陽極來給它們充電。在給電池放電時，金屬或金屬離子從陽極向陰極放電。給電池重新充電時會出現(xiàn)另一個問題：如果一串電芯中的某一個接受的電荷較少，則它會限制電池組的輸出。使用兩個鋰離子電芯時，該方法將把充電電壓限制在8.4V。但該方法不保證每個電芯剛好4.2V。為了保證上述電壓值，就必須實現(xiàn)復(fù)雜而昂貴的電荷平衡電路，它們以最優(yōu)電壓給每個電芯充電和放電。因此，多數(shù)現(xiàn)代手持產(chǎn)品均使用單一電芯。由于鋰離子電芯輸出3V~3.7V，因此降壓/升壓轉(zhuǎn)換器適用于那些需要3.3V的手持設(shè)備。

　　降壓/升壓轉(zhuǎn)換器還可廣泛用于汽車LED驅(qū)動器（圖1c）。它們有著與汽車測試儀器相同的電池電壓范圍問題。實際上，汽車方面的用途存在更重要的約束條件。汽車在啟動時，在轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)時，電池可能會降至8V。汽車測試儀器用充電電路的工作時間必須比汽車啟動時間更長。然而，如果電源轉(zhuǎn)換器在操作一串制動燈，人們不會希望由于輸入電壓擺動而使電路的輸出下降。降壓/升壓體系結(jié)構(gòu)能處理上述冷啟動周期以及來自箝位負(fù)載陡降事件的40V瞬態(tài)。

　　一種類似應(yīng)用正在推動手機(jī)中的LED閃光裝置的發(fā)展（圖1d）。LED的正向電壓可能高于或低于單芯鋰離子電芯。降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確保閃光LED總能接收相同電流，無論電池狀態(tài)如何，也無論LED的任何工藝變化改變了它的正向電壓。凌力爾特公司（LinearTechnology）設(shè)計經(jīng)理SamNork說：“看看LED用作閃光燈的手機(jī)相機(jī)，也許你可以驅(qū)動0.5A流過LED。在這些條件下，LED的正向電壓降約為3.6V。根據(jù)溫度、元件變化和電池條件，如果你希望降壓/升壓轉(zhuǎn)換器獲得最佳性能，那么這就是一種經(jīng)典情況。”這些設(shè)計優(yōu)點適用于用鋰離子電芯供電的LED閃光燈。

　　在處理變化幅度大的輸入電壓時，人們也許會考慮采用降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，而它們在輸出電壓隨元件變化而改變的應(yīng)用中也很好用。Supertex公司應(yīng)用工程師RohitTirumala指出，一些普通照明使用的是廉價的24V“磚塊”電源。雖然LED串的輸入電壓得到相當(dāng)程度的穩(wěn)壓，但輸出電壓可能因元件不同而明顯變化。他說：“由于LED電壓的變化，LED串也許需要降壓或升壓。例如，每個LED的變化幅度可能達(dá)1V。正向電壓可能是3V至4V，因此包含6個LED的串也許需要18V~24V。”

　　AnalogDevices公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理BrianWengreen指出：松下和其它鋰離子電池制造商正在創(chuàng)造改良的電池化學(xué)類型，它們在電池從3V放電至2.5V時會產(chǎn)生更多能量。他說：“依靠單個鋰離子電芯工作的手機(jī)或照相機(jī)也許有變焦鏡頭或某種傳動器，它需要穩(wěn)定電壓向機(jī)械系統(tǒng)提供扭矩。”這些照相機(jī)制造商在這種情況下使用降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，這是因為它們能“榨干”電池的最后一點能量。

　　這些例子表明降壓/升壓轉(zhuǎn)換器如何在輸入電壓和輸出電壓要求都變化時供電。這些轉(zhuǎn)換器也是通用的。Tirumala說：“一些工程師想擁有使用相同電源的不同產(chǎn)品型號。某個型號也許使用四個LED，某個型號也許使用六個LED。它們能使用相同的降壓/升壓電源，因此成本會下降，而批量會上升。”他還指出：在人們使用整流交流電波形作為輸入電源時，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器很好用（圖1e）。此類應(yīng)用之一是用LED取代MR16等無處不在的12V鹵素?zé)襞?。鹵素?zé)艟哂媒涣骰蛘鹘涣鞑ㄐ悟?qū)動燈泡。在LED燈泡的基座中使用降壓/升壓電路，設(shè)計者就能在輸入電壓變化時確保更恒定的平均電流。