降壓/升壓轉(zhuǎn)換器隨時(shí)代變遷

　　詳解

　　既然降壓/升壓電路有如此多的應(yīng)用，這使模擬系統(tǒng)工程師有必要更多了解它們。首先是術(shù)語(yǔ)。隔離回掃轉(zhuǎn)換器能提供固定輸出電壓，甚至在輸入電壓擺動(dòng)至高于或低于輸出時(shí)也如此。然而沒(méi)有人把回掃轉(zhuǎn)換器稱作降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。另一個(gè)例子是離線電源中的PFC（功率因數(shù)校正）電路。即使第一級(jí)是升壓轉(zhuǎn)換器，第二級(jí)是降壓轉(zhuǎn)換器，工程師也很少把該體系結(jié)構(gòu)稱作降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。存在開(kāi)關(guān)電容器降壓/升壓電路，例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NationalSemiconductor）的LM3355，但多數(shù)設(shè)計(jì)者在聽(tīng)到“降壓/升壓”這一術(shù)語(yǔ)時(shí)會(huì)想到電感轉(zhuǎn)換器。其它先進(jìn)的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如Telsa公司的隔離式TeslaConverter，能執(zhí)行降壓/升壓功能，但工程師也不把它們稱作“降壓/升壓”轉(zhuǎn)換器。

　　經(jīng)典的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器是具有逆變體系結(jié)構(gòu)的單開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器（圖2a）。由于該電路是逆變的，因此它的輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，而無(wú)論哪個(gè)電壓在變化，無(wú)論是否兩個(gè)電壓都在變化。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感積累電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電感仍試圖使該電流流動(dòng)，因此電感的開(kāi)關(guān)端變?yōu)樨?fù)，而電感電流隨后把輸出電容器充電至某個(gè)相對(duì)于輸入電壓為負(fù)的電壓。在5V輸入時(shí)，電路同樣運(yùn)行良好，產(chǎn)生-4V和-6V（圖2b）。正如其它多數(shù)電源體系結(jié)構(gòu)一樣，單開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器也有許多有效變化。通過(guò)重新排列電感，可以造出負(fù)至正降壓/升壓轉(zhuǎn)換器（圖2c）。像簡(jiǎn)單的降壓或升壓體系結(jié)構(gòu)一樣，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器能以連續(xù)或非連續(xù)模式運(yùn)行。

　　這種簡(jiǎn)單的逆變降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)然可行，但一個(gè)缺點(diǎn)是功率晶體管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)在輸入電容器中造成強(qiáng)烈的電流紋波。加州理工學(xué)院教授SlobodanCuk于1976年解決了這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)他發(fā)明了Cuk轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（參考文獻(xiàn)1、參考文獻(xiàn)2、圖3）。通過(guò)添加第二個(gè)電感并使用電容器轉(zhuǎn)移能量，Cuk轉(zhuǎn)換器用電感把開(kāi)關(guān)圍繞起來(lái)。由于輸入電容器向電感的非開(kāi)關(guān)端饋電，因此任何輸入電流的變化速度都不超過(guò)三角波。與此類似，電路用第二個(gè)電感的非開(kāi)關(guān)端向輸出電容器饋電，因此電流的三角波也給這些電容充電，產(chǎn)生較低的紋波電壓，并因此在電容器中產(chǎn)生較少熱量。盡管使用兩個(gè)電感成本更高，但人們可經(jīng)常使用價(jià)值較低的輸入和輸出電容器，它們能節(jié)約成本。變化較慢的電容器電流導(dǎo)致電路產(chǎn)生較少的EMI（電磁干擾）和RFI（射頻干擾），這對(duì)汽車應(yīng)用有利。慢速輸入電流的變化意味著可以無(wú)須使用輸入電容器，并且由于汽車導(dǎo)線中的電流是三角波，因此轉(zhuǎn)換器電路不會(huì)產(chǎn)生很多令人反感的電噪聲。

　　常規(guī)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器和Cuk轉(zhuǎn)換器的一個(gè)局限性在于，它們與SEPIC（單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器）不同，會(huì)使輸入電壓逆變。與Cuk轉(zhuǎn)換器一樣，SEPIC使用兩個(gè)電感（圖4）。SEPIC調(diào)換了電感和二極管的位置，因此輸出電壓為正。不利方面在于電感和二極管的位置與Cuk轉(zhuǎn)換器中相反，因此在輸出電容器產(chǎn)生了更高的瞬時(shí)電流變化速率。SEPIC還提供了非逆變輸出電壓，因此人們能使幾乎任何升壓轉(zhuǎn)換IC都適應(yīng)SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。包括凌力爾特在內(nèi)的一些公司把類似于LT1513這樣的元件標(biāo)為SEPICIC。

　　Cuk和SEPIC體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們不允許電力通過(guò)轉(zhuǎn)換器回流，這是因?yàn)樗鼈儼粋€(gè)電容，它把能量從輸入端轉(zhuǎn)移至輸出端。該特性在電池充電方面可以提供重要益處。電容器防止電流從電池向后流動(dòng)，經(jīng)過(guò)元件并進(jìn)入輸入端。

　　另一個(gè)需要輸入電壓與輸出電壓具有相同極性的應(yīng)用是一種把4.2V~2.5V鋰離子電芯電壓轉(zhuǎn)換至3.3V的電路。可在該應(yīng)用中使用SEPIC，但它們的效率一般僅為82%~85%。在試圖從鋰離子電芯中擠出最后一點(diǎn)能量時(shí)，上述效率是不可接受的。在這種情況下，設(shè)計(jì)者可以轉(zhuǎn)向一種四開(kāi)關(guān)同步降壓/升壓體系結(jié)構(gòu)（圖5）。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅用一個(gè)電感，但使用四個(gè)功率晶體管把電感當(dāng)作降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，這取決于輸入電壓。輸入和輸出電流經(jīng)受的紋波可能大于Cuk轉(zhuǎn)換器，但手持設(shè)備目前使用陶瓷功率電容器，它們的ESR（等效串聯(lián)電阻）和ESL（等效串聯(lián)電感）很低，因此紋波電流不會(huì)造成關(guān)聯(lián)的紋波電壓。正如人們想象的那樣，同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器面臨的難題是控制。兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)的作用是轉(zhuǎn)換降壓和升壓模式。另兩個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)是同步整流器，正如它們?cè)谕浇祲夯蛲缴龎恨D(zhuǎn)換器中那樣。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在降壓模式和升壓模式之間回轉(zhuǎn)時(shí)，所有四個(gè)晶體管均須無(wú)縫開(kāi)關(guān)。

　　手持系統(tǒng)市場(chǎng)由于銷量大，利潤(rùn)高，促使許多廠商挺身迎接同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器制造方面的挑戰(zhàn)。德州儀器公司（TexasInstruments）應(yīng)用經(jīng)理MichaelDay說(shuō)：“我們已把傳統(tǒng)的四開(kāi)關(guān)降壓/升壓分解為兩條控制環(huán)路，來(lái)提供升壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器。我們優(yōu)化了控制系統(tǒng)，以便在3.6V輸入電壓提供最高效率。”據(jù)Day表示，一些常規(guī)四開(kāi)關(guān)降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸入電壓和輸出電壓彼此接近時(shí)，會(huì)立刻操作所有四個(gè)開(kāi)關(guān)。

　　凌力爾特公司模擬設(shè)計(jì)師CarlNelson把該模式稱作“回掃”，這是因?yàn)樵撛涯芰看嬗陔姼?，然后把它切換到輸出電容器中。TITPS63000利用它的兩條控制環(huán)路來(lái)操作降壓或升壓開(kāi)關(guān)，但從不操作所有四個(gè)。該方法使各單元能在很大輸入范圍內(nèi)的效率達(dá)到95%以上。由于該元件在降壓和升壓操作之間切換，因此看起來(lái)也許像是所有四個(gè)開(kāi)關(guān)立刻在工作，但該元件首先執(zhí)行一個(gè)降壓循環(huán)，然后執(zhí)行一個(gè)升壓循環(huán)。一旦輸入電壓和輸出電壓分道，該元件就鎖定到一種工作模式中。由于該元件從不以四開(kāi)關(guān)模式運(yùn)行，因此同步FET只是當(dāng)作低損耗二極管。

　　與此類似，凌力爾特公司提供LTC3440，它于2001年面世，現(xiàn)在包含的元部件超過(guò)一打。該公司還提供LTM4605模塊，其效率從不低于93%，還提供一種降壓/升壓控制器，使人們能使用四個(gè)外部晶體管。LTC3780在輸入端能承受高達(dá)36V電壓，因此可把它用于需要降壓/升壓功能的汽車和工業(yè)應(yīng)用。

　　由于使用鋰離子電池的應(yīng)用在增多，許多模擬設(shè)計(jì)公司正在制造各種元件來(lái)降低和升高電池電壓。例如，AnalogDevices公司最近發(fā)布了四開(kāi)關(guān)H橋同步ADP2503和ADP2504降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)頻率為2.5MHz。這些器件使用一種平均電流模式體系結(jié)構(gòu)來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)，由此提供良好的負(fù)載調(diào)節(jié)，并在釋放突發(fā)電流浪涌時(shí)防止過(guò)沖。與其它同步降壓/升壓元件一樣，ADP2503能依靠一個(gè)鋰離子電芯供電，并保持超過(guò)92%的效率。該元件的靜態(tài)電流也很低，因此即使在輸出功率電平很低時(shí)也能保持高效率。另一種器件是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM3668，它把鋰離子電芯降低或升高至3.3V或類似電壓，輸出1A，開(kāi)關(guān)頻率為2.2MHz。

　　在補(bǔ)償那些在電源路徑中可能有多達(dá)四個(gè)極的系統(tǒng)方面，IC廠商已降低了它的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。該特性使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能專注于產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)，而不是電源轉(zhuǎn)換器的控制算法方面的瑣事。Cuk、SEPIC、降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都在變得像無(wú)處不在的降壓穩(wěn)壓器一樣易用。人們?cè)谠O(shè)計(jì)中一定要考慮這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

1. “Cuk converter.”
2. Middle brook,RD,and Slobodan Cuk,“Ageneral unified approach tomodelling switching converter Power　stages,”International Journal of Electronics , Volume42 , Issue6 , June1977 , pg521.