DC-DC----升-降型的工作原理

【資料圖】

引言：降壓-升壓轉換器是降壓和升壓功率級的組合，共享相同的電感器。降壓-升壓拓撲結構很實用，因為輸入電壓可以比輸出電壓更小、更大或相同。

1.雙開關型升-降壓

升-降壓型一般有兩種拓撲：雙開關型(圖5-1)和四開關型(圖5-2)，從雙開關型拓撲結構可以看到，其和反相型DC-DC結構一樣。這主要涉及到理解方式：當不關注反相這個屬性時(負電壓)，取Vout絕對值：

當D=0.5時，Vout=Vin;當D<0.5時，Vout0.5時，Vout>Vin，這樣既可以實現升壓也可以實現降壓。在這種拓撲中，輸入電流和輸出電流都已被執行“斬波”，也就是說這些電流之間是不連續的，而且轉換時間非常短(電容補充電流)。相關波形回看DC-DC-4：反相型的工作原理，相比普通升壓轉換器，生成的輸出電壓中所含的電壓尖峰可能會更多。對于這些問題，可以通過適當大小的輸出電容器或后置穩壓濾波器來解決。

圖5-1：雙開關型升-降壓拓撲

開關管導通，S2截止，電感器儲能，電流回路為：輸入VIN--->S1--->電感器L

開關管關斷，S2導通，電感器釋能，電流回路為：電感器L--->電容Cout--->負載RL--->S2

2.四開關型升-降壓

四開關型就是純粹升壓和降壓型的縫合體，當S2保持關閉不導通時，就變為降壓拓撲(DC-DC-2：降壓型的工作原理)，此時S1為上管;當S1保持打開導通時，就變為升壓拓撲(DC-DC-3：升壓型的工作原理)，此時S2變為下管。(肖特基二極管做續流元件已經屬于比較落后的技術，后面的模型以及講解均以MOS來作續流元件，即同步模式)

圖5-2：四開關型升-降壓拓撲

當轉換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內的傳輸區域中工作時，處理這些情況有兩種方式：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關循環在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關頻率的一半運行。交替方式可以在輸出端引起次諧波噪聲，而與常規降壓或升壓工作相比，輸出電壓精度可能不那么精確，但與同時有效方式相比，因為減少了開關損耗，轉換器將更加有效。

根據輸入電壓和設置輸出的電阻值，器件可以在降壓模式、降壓-升壓模式和升壓模式之間平穩轉換。當輸入電壓大于輸出電壓時，工作在降壓模式，當輸入電壓小于輸出電壓時工作在升壓模式。當輸入電壓接近輸出電壓時，交替地以一周期降壓和一周期升壓模式操作。開關頻率一般由外部電阻器設置。為了減少高功率條件下的開關功率損耗，建議將開關頻率設置在500kHz以下。如果系統需要高于500kHz的較高開關頻率，建議設置較低的開關電流限制，以獲得更好的熱性能。

降壓-升壓拓撲結構在輸入和輸出端都有脈沖電流，因為任一方向都沒有LC濾波器。對于降壓-升壓轉換器，可以分別使用降壓和升壓功率級計算。具有兩個開關的降壓-升壓轉換器適用于50W至100W之間的功率范圍(雙開關型)，同步整流功率可達400W(四開關型)。建議使用與未組合降壓和升壓功率級相同的電流限制的同步整流器。另外需要為升壓級設計降壓-升壓轉換器的補償網絡，因為RHPZ(右半平面零點問題)會限制穩壓器帶寬。

圖5-3：切換成降壓模式工作圖

圖5-3為切換成降壓模式的工作狀態，在降壓工作期間，S3保持打開，S4保持關閉。S1和S2交替工作。

圖5-4：切換成升壓模式工作圖

圖5-4為切換成升壓模式的工作狀態，在升壓工作期間，S1保持打開，S2保持關閉。S3和S4交替工作。

3.不同狀態下的工作波形

以下Vout為輸出電壓，SW1和SW2是電感兩端的節點(SW1為圖5-4S1和S2的連結點，SW2為S3和S4的連結點)，IL為流經電感的電流。

圖5-5：VIN=12V，Vout=5V，Iout=5A，工作在FPWM模式

圖5-5展示了在降壓重載模式下，器件以FPWM(快速PWM)輸出電壓調節模式工作。SW2驅動信號拉平，表明器件進入降壓拓撲。

圖5-6：VIN=12V，Vout=5V，Iout=0A，工作在PFM模式

圖5-6展示了在降壓輕載模式下，器件切換到PFM輸出電壓調節模式工作，可以看到降壓和升壓級同時有效，Vout波形更寬，噪聲變大。

圖5-7：VIN=12V，Vout=12V，Iout=3A，工作在FPWM模式

圖5-7展示了在等壓重載模式下，器件以FPWM(快速PWM)輸出電壓調節模式工作。其中SW1和SW2交替工作，即交替地以一周期降壓和一周期升壓模式操作。

圖5-8：VIN=12V，Vout=12V，Iout=0A，工作在PFM模式

圖5-8展示了在等壓輕載模式下，器件以PFM輸出電壓調節模式工作。其中降壓和升壓級同時有效。

圖5-9：VIN=12V，Vout=20V，Iout=2A，工作在FPWM模式

圖5-9展示了在升壓重載模式下，器件以FPWM(快速PWM)輸出電壓調節模式工作。其中S1驅動信號拉平，表明器件進入升壓拓撲。

圖5-10：VIN=12V，Vout=20V，Iout=0A，工作在PFM模式

圖5-10展示了在升壓輕載模式下，器件以PFM輸出電壓調節模式工作。其中降壓和升壓級同時有效。

圖5-11：VIN=9V~20V(波動間隔200us)，Vout=12V，Iout=3A的線路瞬態波形，FPWM

圖5-11展示了VIN在輸入高低切換之間，模式轉變，電流回路的急劇變化，造成了輸出振鈴和跌落(正常現象但需要滿足標準)。另外Vout和IL的前后波形寬度對比，也說明了升壓與降壓之間的特點。

圖5-12：VIN=12V，Vout=5V，Iout=2.5A~5A(波動間隔20us)的負載瞬態波形，FPWM

圖5-12展示了降壓工作時，負載變化使電感存在瞬間逆變，影響了Vout(正常現象，但需要滿足標準)。

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