簡化同步降壓-升壓轉換器設計

　　不同電源轉換器技術規格中的一個明顯變化就是需要將寬范圍的輸入電壓轉換為經穩壓的輸出電壓。然而，如果未經穩壓的輸入電壓在經穩壓輸出電壓的設定點以上、以下或者是與之相等的范圍內不斷變化，而需要進行降壓-升壓轉換時，這個任務就會變得更加具有挑戰性。降壓-升壓轉換對于大量應用是必不可少的，這些應用包括電池充電、固態照明、工業計算和汽車應用。

　　這篇文章簡要回顧了與4開關降壓-升壓轉換器設計相關的很多因素。特別回答了組件選型和功耗計算方面的問題，以及用快速啟動計算器工具［3］ 來協調和加快轉換器設計流程的問題。

　　同步降壓-升壓轉換器運行

　　作為一個既提供升壓轉換又能執行降壓轉換的有效方法，一款設計合理的降壓-升壓電路由于其便利性而成為一個不可或缺的器件。我們來復習一下圖1中所示的4開關（非反向）同步降壓-升壓拓撲。

　　降壓-升壓功率級的主要優點在于，降壓、升壓、以及降壓-升壓轉換模式可以按照需要在寬輸入電壓和負載電流范圍內實現高效率。和與之相類似的單開關（反向）降壓-升壓相比，它還提供一個正的輸出電壓，以及相對于SEPIC、反激式和級聯升壓-降壓拓撲較低的功率損耗和更高的功率密度。

　　圖1. 4開關同步降壓-升壓轉換器功率級。

　　在圖1中，4個功率MOSFET被安排為H橋配置中的降壓和升壓橋臂，其中的開關節點SW1和SW2由電感器LF 相連。當輸入電壓分別高于或低于輸出電壓時，同步降壓或升壓開始運行，而對面非開關橋臂的高側MOSFET運行為導通器件。更重要的一點是，當輸入電壓接近輸出電壓時，開關降壓或升壓橋臂達到預期的占空比限值，從而觸發向降壓-升壓工作模式的轉換。操作模式的變化應該平滑順暢、并且是自主進行的，無需改變控制配置。這一目的的實現方式，以及功率級與控制機制可能存在的相互依賴關系是非常重要的。

　　例如，作為一款特定的降壓-升壓控制器，LM5175［4］在降壓-升壓模式中采用一個獨特的機制，降壓和升壓橋臂以準交錯的方式在減少的頻率上切換，從而在效率和功率損耗方面有著顯著優勢。峰值電流模式和谷值電流模式降壓控制技術可實現平滑順暢的模式變換，需要的只是一個用于電流感測的低側已配置分壓電阻器?；赩IN和VOUT之間差異的斜坡補償實現方式往往為無差拍響應，并且標志著一個增加電源抑制 （PSR） 和抑制線路瞬變的好方法。

　　針對電流模式降壓-升壓轉換器的設計流程

　　圖2中繪制的是一個4開關同步降壓-升壓轉換器完整的電路原理圖。這個電路原理圖包括針對功率級、柵極驅動器的自舉電路、電流感測網路的組件，以及用于實現更低電磁干擾 （EMI） 的展頻頻率調制 （SSFM）、［5］可編程欠壓閉鎖（UVLO）、輸出反饋和環路補償的組件。

　　圖2.具有電流模式控制器的4開關降壓-升壓轉換器的電路原理圖。

　　一個快速啟動工具資源［3］提供了一個針對4開關降壓-升壓轉換器的分析與設計框架。步驟是從轉換器技術規格到組件選型，再到性能審驗（效率、組件耗散和波特圖），如果需要的話，之后是重復設計。將LM5175同步降壓-升壓控制器作為起點，讓我們來一步步地回顧一下400kHz轉換器的設計流程；這款轉換器在6A額定電流下，在輸入源為6V至42V電壓時，提供一個12V輸出。

　　步驟1：運行技術規格

　　圖3中的屏幕截圖顯示的是步驟1，或針對輸入電壓范圍、輸出電壓、負載電流和開關頻率的用戶技術規格條目。

　　步驟2：電感器篩選

　　電感取決于輸入電壓范圍和目標峰值到峰值電感器紋波電流比。方程式1分別設定了30%和80%時，深度升壓和深度降壓運行點內的目標紋波電流比。

　　有3個主要參數可以證明電感器性能—電阻 （DCR）、飽和電流 （ISAT）和內核損耗。具有鐵粉磁芯材料的電感器在高達400kHz的開關頻率上具有突出的性能，從而成為很多應用中的主流解決方案。值得注意也十分理想的特性就是電感會隨著電流的增加而逐漸減少。同時，以鐵氧體為磁芯的電感器具有相對低的內核損耗，雖然它們會在飽和剛剛開始時防止電感驟降。

　　圖3. 步驟1到3分別是指運行技術規格、電感器篩選和電流感測。這個電路原理圖是根據輸入的以及計算出來的組件值自動組裝而成。