高效非反向降压-升压转换器设计技巧

介绍

降压-升压转换器被广泛应用于工业用个人计算机 (IPC)，销售点 (POS) 系统，和汽车启停系统。在这些应用中，输入电压可以高于或低于所需的输出电压。基本反向降压-升压转换器具有一个相对于接地的负输出电压。单端初级电感器转换器 (SEPIC)，Zeta转换器和双开关降压-升压转换器具有正向或非反向输出。然而，与基本反向降压-升压转换器相比，所有这三个非反向拓扑结构具有额外的功率元件，并且效率有所下降。本文介绍对这些降压-升压转换器的操作原理、电流应力和功率损耗分析，并且提出高效非反向降压-升压转换器的设计标准。

反向降压-升压转换器

图表1显示了基本反向降压-升压转换器的电路原理图，连同连续传导模式 (CCM) 下的典型电压和电流波形。除了输入和输出电容器，功率级由一个功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，一个二极管，和一个电感器组成。当MOSFET (Q1) 接通时 (ON)，流经电感器 (L1) 的电压为VIN，而电感器电流的斜升速率与VIN的上升速率成正比。这导致电感器内的电能累积。当Q1接通时，输出电容器提供全部负载电流。当Q1关闭时，二极管 (D1) 被正向偏压，并且电感器电流的下降速度与VOUT的下降速度成正比。在Q1断开时，电能从电感器被传送到输出负载和电容器。

CCM模式下的反向降压-升压转换器的电压转换率可表示为：

在这里，D是Q1的占空比，并且始终在0至1的范围内。等式1表示输出电压的幅度可以高于(此时D>0.5)或低于(此时D<0.5)输入电压。然而，输出电压与输入电压的极性始终相反。

传统非反向降压-升压转换器

反向降压-升压转换器不能满足需要正向输出电压的应用的要求。SEPIC，Zeta，和双开关降压-升压转换器是三种常见的非反向降压-升压拓扑结构。Zeta转换器，也被称为反向SEPIC，它与SEPIC相类似，但是不如SEPIC那么受欢迎，其原因在于这类转换器需要一个会增加电路复杂度的高侧驱动器。

图表1.反向降压-升压转换器

在图表2中显示了一个SEPIC转换器和其CCM模式下的理想波形。一个SEPIC转换器的电压转换率为：

等式2表示正向输出电压和降压-升压能力。与一个反向降压-升压转换器相类似，一个SEPIC转换器具有一个单个MOSFET (Q1) 和一个单个二极管 (D1)。SEPIC转换器中的MOSFET和二极管对于电压和电流的需求与反向降压-升压转换器中此类元件的电压和电流需求相类似。同样地，MOSFET和二极管的功率损耗也是相似的。在另一方面，SEPIC转换器具有一个额外的电感器 (L2) 和一个额外的交流耦合电容器 (Cp)。

在一个SEPIC转换器中，L1的平均电感器电流等于输入电流 (IIN)，而L2的平均电感器电流等于输出电流 (IOUT)。相反地，反向降压-升压转换器中的单个电感器的电流值为IIN + IOUT的平均值。耦合电容器上会出现相对于输入电流和输出电流的高值均方根 (RMS) 电流，这会生成额外的功率损耗，并减少转换器的总体效率。

为了减少功率损耗，需要具有低值等效串联电阻 (ESR) 的陶瓷电容器，而这样通常会使成本增加。SEPIC转换器中与额外耦合电容器相耦合的额外电感器会增加印刷电路板 (PCB) 的尺寸以及总体解决方案成本。耦合电感器可被用来替代两个单独的电感器，以便减少PCB尺寸。然而，相对于单独的电感器，现货供应的耦合电感器的选择范围有限。有时需要定制设计，这一也增加了成本和交货时间。

图表2.SEPIC转换器

一个传统双开关降压-升压转换器使用一个单个电感器(图表3)。然而，它比反向降压-升压转换器多了一个MOSFET (Q2) 和一个二极管 (D2)。通过同时接通和断开Q1和Q2，转换器运行在降压-升压模式，而电压转换率也可由等式2计算得出。这可以确保双开关降压-升压转换器执行非反向转换。在图表3中显示了运行在降压-升压模式和CCM模式下的双开关降压-升压转换器的理想波形。在Q1和D1上都出现值为VIN的电压应力，而Q2和D2上的电压应力值均为VOUT。在忽略电感器纹波电流的情况下，Q1，Q2，D1和 L1上的电流应力值均为IIN + IOUT。相对较多的功率器件数量和降压-升压模式中的高电流应力值会妨碍转换器的高效率。

双开关降压-升压转换器的工作模式优化

双开关降压-升压转换器是一个降压转换器与其后面的一个升压转换器的级联组合。除了上面提到的降压-升压模式，Q1和Q2中具有完全一样的栅极控制信号，双开关降压-升压转换器还可以运行在降压或升压模式中。通过在VIN高于VOUT时使转换器运行在降压模式，并且在VIN低于VOUT时使转换器运行在升压模式，可实现降压-升压功能。

图表3.降压-升压运行模式中的双开关降压-升压转换器

在降压模式下，Q2被控制为始终处于断开状态，并且与典型降压转换器中一样，通过控制Q1来调节输出电压。图表4中显示了降压模式中的等效电路和CCM模式中的相应理想波形。电压转换率与典型降压转换器的转换率一样：

在这里D是Q1的占空比。在降压模式下，由于D一直小于1，所以输出电压始终低于输入电压。三个方面的原因使得降压模式的效率有可能高于降压-升压模式的效率。首先，Q2在降压模式中始终处于断开状态，这意味着其中没有功率耗散。第二点，在降压模式下，Q1，D1和L1中的电流应力值只是IOUT，而这个值要低于降压-升压模式中的值IIN + IOUT，这就有可能减少功率损耗。第三点，虽然D2的传导损耗保持不变，由于D2始终处于传导状态，降压模式中的反向恢复损耗被消除。

通过将Q1一直保持在接通状态，D1被反向偏置偏压并且保持断开状态，然后双开关降压-升压转换器运行在升压模式下。与典型升压转换器相类似，通过控制Q2来调节输出电压。图表5中显示了升压模式下的等效电路，以及CCM模式中的相应理想波形。电压转换率与典型升压转换器中的转换率一样：

在这里D是Q2的占空比。在升压模式下，由于D始终大于零，输出电压一直大于输入电压。相似地，由于具有较少的运行功率器件和更低的电流应力值，在升压模式下可以实现比降压-升压模式更高的效率。

图表4.双开关降压-升压转换器的降压模式运行

图表5.双开关降压-升压转换器的升压模式运行

高效双开关降压-升压转换器的实现

双开关降压-升压转换器可以运行在降压-升压、降压或升压模式下。工作模式的不同组合可以用来实现升压和降压功能。需要合适的控制电路来确保所需的运行模式。表格1中汇总了四个不同工作模式组合间的比较结果。纯降压-升压模式的特点是控制最为简单，但是在VIN范围内的升压和降压转换效率不高。

表格1.工作模式比较

降压、降压-升压和升压模式的组合有可能在VIN范围内实现高效率。然而，由于多个工作模式和导致的不同模式之间的转换，其控制十分复杂。在很多应用中，输入电压通常只在短时间内会下降到低于输出电压的水平。在这些应用中，升压转换效率不像降压转换效率那么关键。同样地，降压和降压-升压模式的组合很好地平衡了控制复杂度和效率之间的关系。

图表6显示了使用德州仪器 (TI) 生产的LM5118双模式控制器来实现双开关降压-升压转换器的实际方法。这个转换器在输入电压高于输出电压时充当降压转换器的角色。随着输入电压接近并超过输出电压，它转变为降压-升压模式。在降压模式和降压-升压模式之间有一个较短的渐进转换区域，以便消除转换期间对输出电压的干扰。

图表6.双开关降压-升压转换器特有降压和降压-升压工作模式

在这个示例中，标称输出电压为12V。当VIN高于15.5V时，转换器运行在降压模式。当VIN下降到13.2V以下时，转换器的工作模式变为降压-升压模式。当VIN介于15.5V和13.2V之间时，转换器运行在转换模式。图表7显示了开关节点1 (SW1) 和开关节点2 (SW2) 的电压波形。在降压模式下 (VIN = 24V)，SW2电压保持恒定，这表示Q2被保持在断开状态。相反地，Q2以及Q1在降压-升压模式中正在被切换 (VIN = 9V)。图表8显示负载电流为3A时相对于输入电压的效率。通过在降压模式中运行，转换器可提高降压转换的效率。

结论

SEPIC，Zeta和双开关降压-升压转换器是三款常见的非反向降压-升压拓扑结构，这些拓扑结构提供正向输出以及升压/降压功能。当运行在降压-升压模式中时，所有三个转换器会经历高电流应力和高传导损耗。然而，通过使双开关降压-升压转换器运行在降压模式或升压模式，可减少电流应力，并且能够提高效率。

参考文献

1.“使用LM267X SIMPLE SWITCHER® 稳压器的AN-1157正向到负向降压-升压转换器，”应用报告，德州仪器 (TI)，2013年4月，在线版地址：www.ti.com/3q14-SNVA022

图表7.开关节点上的电压波形

图表8.相对于输入电压的效率