DC-DC----升-降型的工作原理
引言:降压-升压转换器是降压和升压功率级的组合,共享相同的电感器。降压-升压拓扑结构很实用,因为输入电压可以比输出电压更小、更大或相同。
(相关资料图)
1.双开关型升-降压
升-降压型一般有两种拓扑:双开关型(图5-1)和四开关型(图5-2),从双开关型拓扑结构可以看到,其和反相型DC-DC结构一样。这主要涉及到理解方式:当不关注反相这个属性时(负电压),取Vout绝对值:
当D=0.5时,Vout=Vin;当D<0.5时,Vout0.5时,Vout>Vin,这样既可以实现升压也可以实现降压。在这种拓扑中,输入电流和输出电流都已被执行“斩波”,也就是说这些电流之间是不连续的,而且转换时间非常短(电容补充电流)。相关波形回看DC-DC-4:反相型的工作原理,相比普通升压转换器,生成的输出电压中所含的电压尖峰可能会更多。对于这些问题,可以通过适当大小的输出电容器或后置稳压滤波器来解决。
图5-1:双开关型升-降压拓扑
开关管导通,S2截止,电感器储能,电流回路为:输入VIN--->S1--->电感器L
开关管关断,S2导通,电感器释能,电流回路为:电感器L--->电容Cout--->负载RL--->S2
2.四开关型升-降压
四开关型就是纯粹升压和降压型的缝合体,当S2保持关闭不导通时,就变为降压拓扑(DC-DC-2:降压型的工作原理),此时S1为上管;当S1保持打开导通时,就变为升压拓扑(DC-DC-3:升压型的工作原理),此时S2变为下管。(肖特基二极管做续流元件已经属于比较落后的技术,后面的模型以及讲解均以MOS来作续流元件,即同步模式)
图5-2:四开关型升-降压拓扑
当转换器在输入电压处于输出电压范围内的传输区域中工作时,处理这些情况有两种方式:或是降压和升压级同时有效,或是开关循环在降压和升压级之间交替,每个通常以正常开关频率的一半运行。交替方式可以在输出端引起次谐波噪声,而与常规降压或升压工作相比,输出电压精度可能不那么精确,但与同时有效方式相比,因为减少了开关损耗,转换器将更加有效。
根据输入电压和设置输出的电阻值,器件可以在降压模式、降压-升压模式和升压模式之间平稳转换。当输入电压大于输出电压时,工作在降压模式,当输入电压小于输出电压时工作在升压模式。当输入电压接近输出电压时,交替地以一周期降压和一周期升压模式操作。开关频率一般由外部电阻器设置。为了减少高功率条件下的开关功率损耗,建议将开关频率设置在500kHz以下。如果系统需要高于500kHz的较高开关频率,建议设置较低的开关电流限制,以获得更好的热性能。
降压-升压拓扑结构在输入和输出端都有脉冲电流,因为任一方向都没有LC滤波器。对于降压-升压转换器,可以分别使用降压和升压功率级计算。具有两个开关的降压-升压转换器适用于50W至100W之间的功率范围(双开关型),同步整流功率可达400W(四开关型)。建议使用与未组合降压和升压功率级相同的电流限制的同步整流器。另外需要为升压级设计降压-升压转换器的补偿网络,因为RHPZ(右半平面零点问题)会限制稳压器带宽。
图5-3:切换成降压模式工作图
图5-3为切换成降压模式的工作状态,在降压工作期间,S3保持打开,S4保持关闭。S1和S2交替工作。
图5-4:切换成升压模式工作图
图5-4为切换成升压模式的工作状态,在升压工作期间,S1保持打开,S2保持关闭。S3和S4交替工作。
3.不同状态下的工作波形
以下Vout为输出电压,SW1和SW2是电感两端的节点(SW1为图5-4S1和S2的连结点,SW2为S3和S4的连结点),IL为流经电感的电流。
图5-5:VIN=12V,Vout=5V,Iout=5A,工作在FPWM模式
图5-5展示了在降压重载模式下,器件以FPWM(快速PWM)输出电压调节模式工作。SW2驱动信号拉平,表明器件进入降压拓扑。
图5-6:VIN=12V,Vout=5V,Iout=0A,工作在PFM模式
图5-6展示了在降压轻载模式下,器件切换到PFM输出电压调节模式工作,可以看到降压和升压级同时有效,Vout波形更宽,噪声变大。
图5-7:VIN=12V,Vout=12V,Iout=3A,工作在FPWM模式
图5-7展示了在等压重载模式下,器件以FPWM(快速PWM)输出电压调节模式工作。其中SW1和SW2交替工作,即交替地以一周期降压和一周期升压模式操作。
图5-8:VIN=12V,Vout=12V,Iout=0A,工作在PFM模式
图5-8展示了在等压轻载模式下,器件以PFM输出电压调节模式工作。其中降压和升压级同时有效。
图5-9:VIN=12V,Vout=20V,Iout=2A,工作在FPWM模式
图5-9展示了在升压重载模式下,器件以FPWM(快速PWM)输出电压调节模式工作。其中S1驱动信号拉平,表明器件进入升压拓扑。
图5-10:VIN=12V,Vout=20V,Iout=0A,工作在PFM模式
图5-10展示了在升压轻载模式下,器件以PFM输出电压调节模式工作。其中降压和升压级同时有效。
图5-11:VIN=9V~20V(波动间隔200us),Vout=12V,Iout=3A的线路瞬态波形,FPWM
图5-11展示了VIN在输入高低切换之间,模式转变,电流回路的急剧变化,造成了输出振铃和跌落(正常现象但需要满足标准)。另外Vout和IL的前后波形宽度对比,也说明了升压与降压之间的特点。
图5-12:VIN=12V,Vout=5V,Iout=2.5A~5A(波动间隔20us)的负载瞬态波形,FPWM
图5-12展示了降压工作时,负载变化使电感存在瞬间逆变,影响了Vout(正常现象,但需要满足标准)。
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