1、前言

在本文系列的第二部分中，我討論了如何從我們的電源規(guī)格參數(shù)中選擇最適合的拓撲。在第三部分中，我將詳細介紹降壓、升壓和降壓-升壓拓撲的不同方面。

2.降壓轉(zhuǎn)換器

圖 1 顯示了非同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。降壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓降低到較低的輸出電壓。當開關(guān) Q1 導通時，能量轉(zhuǎn)移到輸出端。

圖 1：非同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖

公式 1 計算占空比為：

公式 2 計算最大金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 應力為：

公式 3 給出了最大二極管應力為：

其中V in 是輸入電壓，V out 是輸出電壓，V f 是二極管正向電壓。

輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大，與線性穩(wěn)壓器或低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 相比，降壓轉(zhuǎn)換器的效率就越高。

雖然降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端具有脈沖電流，但由于電感電容 (LC) 濾波器位于轉(zhuǎn)換器輸出端，因此輸出電流是連續(xù)的。因此，反射到輸入端的電壓紋波與輸出端的紋波相比會更大。

對于占空比小且輸出電流大于 3A 的降壓轉(zhuǎn)換器，我建議使用同步整流器。如果我們的電源需要大于 30A 的輸出電流，我建議使用多相或交錯式功率級，因為這可以最大限度地減少組件的應力，將產(chǎn)生的熱量分散到多個功率級，并減少轉(zhuǎn)換器輸入端的反射紋波。

使用 N-FET 時可能會出現(xiàn)占空比限制，因為自舉電容器需要在每個開關(guān)周期充電。在這種情況下，最大占空比在 95-99% 的范圍內(nèi)。

降壓轉(zhuǎn)換器通常具有良好的動態(tài)特性，因為它們代表了正向拓撲?？蓪崿F(xiàn)的帶寬取決于誤差放大器的質(zhì)量和所選的開關(guān)頻率。

圖 2 至圖 7 顯示了非同步降壓轉(zhuǎn)換器中 FET、二極管和電感器在連續(xù)導通模式 (CCM) 下的電壓和電流波形。

3.升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓升高到更大的輸出電壓。當開關(guān) Q1 不導通時，能量轉(zhuǎn)移到輸出。圖 8 是非同步升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖 8：非同步升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

公式 4 計算占空比為：

公式 5 計算最大 MOSFET 應力為：

公式 6 給出了最大二極管應力為：

其中V in 是輸入電壓，  V out 是輸出電壓，V f  是二極管正向電壓。

使用升壓轉(zhuǎn)換器，我們可以看到脈沖輸出電流，因為 LC 濾波器位于輸入端。因此，輸入電流是連續(xù)的，輸出電壓紋波大于輸入電壓紋波。

在設計升壓轉(zhuǎn)換器時，重要的是要知道從輸入到輸出有一個永久連接，即使轉(zhuǎn)換器沒有切換。我們必須采取預防措施，以防輸出端發(fā)生可能的短事件。

對于大于 4A 的輸出電流，應將二極管更換為同步整流器。如果我們的電源需要提供大于 10A 的輸出電流，我強烈建議采用多相或交錯式功率級方法。

在 CCM 下運行時，升壓轉(zhuǎn)換器的動態(tài)行為會因其傳遞函數(shù)的右半平面零 (RHPZ) 而受到限制。由于 RHPZ 無法補償，因此可實現(xiàn)的帶寬通常小于 RHPZ 頻率的五分之一到十分之一。見公式 7：

其中V out 是輸出電壓，D 是占空比，I out 是輸出電流，L 1 是升壓轉(zhuǎn)換器的電感。

圖 9 至 14 顯示了非同步升壓轉(zhuǎn)換器中 FET、二極管和電感器的 CCM 電壓和電流波形。

4.升降壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是降壓和升壓功率級的組合，它們共享相同的電感。參見圖 15。

圖 15：雙開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

降壓-升壓拓撲很有用，因為輸入電壓可以小于、大于或等于輸出電壓，而所需的輸出功率大于 50W。

對于小于 50W 的輸出功率，單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 是一種更具成本效益的選擇，因為它使用的組件較少。

當輸入電壓大于輸出電壓時，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式，而當輸入電壓小于輸出電壓時，則工作在升壓模式。當轉(zhuǎn)換器在傳輸區(qū)工作時，即輸入電壓在輸出電壓范圍內(nèi)時，有兩種處理這些條件的概念：要么降壓級和升壓級同時有效，要么開關(guān)周期在降壓和升壓級之間交替，每個通常以常規(guī)開關(guān)頻率的一半運行。與常規(guī)降壓或升壓操作相比，第二個概念會在輸出端引起次諧波噪聲，輸出電壓精度可能會稍差一點，但與第一個概念相比，轉(zhuǎn)換器的效率要高得多。

降壓-升壓拓撲在輸入和輸出端具有脈沖電流，因為沒有指向任一方向的 LC 濾波器。

對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，我們可以分別使用降壓和升壓功率級計算。

帶有兩個開關(guān)的升降壓轉(zhuǎn)換器適用于 50W 到 100W 的功率范圍（例如LM5118），同步整流最高可達 400W（例如LM5175）。我建議使用與未組合的降壓和升壓功率級具有相同電流限制的同步整流器。

我們需要為升壓級設計降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的補償網(wǎng)絡，因為 RHPZ 將成為穩(wěn)壓器帶寬的限制因素。

在我的下一篇文章中，我將討論 SEPIC 和 Zeta 轉(zhuǎn)換器的特性和缺點。