如何配置降壓轉換器實現多輸出

引言

電源電路采用電壓步升（boost）或更常見的電壓步降（buck） DC/DC轉換器形式?，F在很多應用都需要多個電壓軌來驅動各種 IC。這些電壓軌可以是反相或非反相、有隔離或沒有隔離。盡管設計工程師一般使用多個降壓轉換器和單個濾波電感器，但是這種做法增加了成本、占位面積和厚度。有一種更簡單的方法是，采用單個降壓轉換器和耦合電感器或變壓器，將其配置為隔離式轉換器拓撲。設計工程師可以使用降壓轉換器提供反相或非反相電壓軌，可以將其配置為反相降壓-升壓轉換器使用。耦合電感或變壓器也可與降壓-升壓轉換器一起使用，以生成具有升壓/降壓功能的多個反相或非反相輸出。

本文將重點討論各種隔離式/非隔離式 DC/DC轉換器拓撲，并展示如何用單個同步降壓轉換器實現這些拓撲。我們還將探討其他拓撲，并展示這些拓撲是如何適合各種應用的。

隔離降壓

A. +/-降壓輸出

B. +/+降壓輸出

C. +/+/-降壓輸出

反相降壓-升壓（步升然后步降）輸出

隔離式+/-降壓-升壓輸出

三種DC/DC轉換器拓撲

基于單個降壓轉換器生成各種轉換器拓撲的優點是，不需要光耦合器及其相關電路。這可以縮小占板面積、減少元件數量、降低復雜度和成本。除了生成多個輸出，降壓轉換器還可配置成反相降壓-升壓轉換器，本質上提供了升壓功能。此外，設計工程師還可以利用類似概念，創建隔離式降壓-升壓轉換器。

1. 隔離式降壓拓撲

A. +/- 降壓輸出：電路運行

用一個隔離式降壓拓撲，可以生成反相和非反相降壓輸出。圖1顯示了這種拓撲如何為需要一個正電源和一個負電源的應用提供+/-輸出軌。

圖1. 同步降壓穩壓器利用隔離式降壓拓撲生成± Vout軌

參照圖1，主和次級輸出由下列方程式給出，假定耦合電感或變壓器的漏感和繞組的DC電阻可以忽略不計：

其中VIN是輸入電壓，VO1和VO2分別是主和次級輸出，D是占空比，N是變壓器匝數比，是二極管的正向壓降。

在高壓側開關接通的周期中（圖1中綠色箭頭指示的電流），主電流斜坡上升，并將電量儲存在變壓器的磁化電感和主輸出電容器中。二次側的二極管反向偏置，二次側的負載電流由輸出電容器提供。

在低壓側開關接通的周期中（圖1中紅色箭頭指示的電流），主電流斜坡下降，并釋放變壓器磁化電感中存儲的能量，一次側負載電流由輸出電容器提供。二次側的二極管正向偏置，電流從變壓器流出供給負載，為二次側輸出電容器充電。在穩定狀態下，假定二極管壓降、變壓器繞組電阻和漏感可忽略不計，二次側輸出電壓與主輸出電壓成反比。圖2顯示了ISL85413 DEMO3Z +/-輸出隔離降壓演示電路板的工作波形。

圖2. ISL85413DEMO3Z在VIN=9V、VO1=VO2=5V、IO1=IO2=100mA時的工作波形

B. +/+降壓輸出

仍然運用通過耦合電感器或變壓器生成次級輸出這個概念，但二次側可以按不同方式配置，以生成正或負的次級電壓。為了生成正次級輸出，要將變壓器/耦合電感器和二次側二極管的極性反過來。圖3顯示了隔離式降壓拓撲生成兩個+VOUT軌。

圖3.生成兩個+ VOUT軌的隔離式降壓拓撲（ISL85415DEMO2Z）

C. +/+/-降壓輸出

圖4顯示了生成3個輸出（2個+VOUT和1個-VOUT軌）的隔離式降壓拓撲。+/+/- 隔離降壓演示電路板ISL854102DEMO2Z可用來展示這種拓撲。就多輸出配置而言，必須考慮不同輸出反射到一次側的總電流，以確保該IC能夠處理所生成的電流。

圖4. 生成3個輸出的隔離式降壓拓撲：2個+VOUT和1個-VOUT軌（ISL854102DEMO2Z）

針對以上電路的方程式如下：

其中VO1是主輸出，VO2和VO3分別是正和負次級輸出，D是占空比，N1和N2分別是與VO2和VO3對應的變壓器的匝數比。Vdiode是二極管的正向壓降，IOUT1、IOUT2和IOUT3分別是由VO1、VO2和VO3生成的輸出電流，Ids_pk是通過頂部開關的峰值電流，△i是主電感器紋波電流的三角部分。

2. 反相降壓-升壓（步升-步降）拓撲

可以從同步降壓轉換器派生出反相降壓-升壓轉換器，連接方式為，將GND端子作為降壓-升壓轉換器反相輸出、將降壓轉換器的VOUT端子作為降壓-升壓轉換器的GND。圖5是將ISL85415降壓轉換器配置成反相降壓-升壓轉換器的電路框圖。

圖5. 將ISL85415降壓轉換器配置成反相降壓-升壓轉換器

輸出電壓和輸出電流的方程式如下：

其中，VIN是輸入電壓，VO1是輸出電壓，D是占空比，IOUT是輸出電流，IL是電感器電流。

在高壓側開關接通的周期中（圖5中綠色箭頭指示電流），電感器電流斜坡上升，將能量儲存在電感器中，輸出電容器向負載提供電流。在低壓側開關接通的周期中（圖5中紅色箭頭指示電流），電感器電流斜坡下降，向負載提供電流，并為輸出電容器充電。ISL85415EVAL2Z反相降壓-升壓電路板的工作波形如圖6所示。

圖6. ISL85415EVAL2Z在VIN=12V、VO=-5V、IO=-300mA時的工作波形

3. 隔離式降壓-升壓拓撲：+/- 輸出

可以采用隔離式降壓-升壓拓撲實現±升壓/降壓輸出電壓。濾波電感器可以用變壓器（或耦合電感器）代替，以得到正次級輸出。圖7顯示了生成±升壓/降壓VOUT軌的隔離式降壓-升壓拓撲。圖8顯示了ISL854102DEMO3Z隔離式降壓-升壓穩壓器電路板的工作波形。

圖7. 隔離式降壓-升壓拓撲生成±VOUT軌

以上電路的電壓和電流方程式如下：

其中VIN是輸入電壓，VO2是次級輸出電壓，Vdiode是二極管正向壓降，D是占空比，N是變壓器匝數比，Ids_pk是通過頂部開關的峰值電流，△i是主電感器紋波電流的三角部分，IOUT1和IOUT2分別是由VO1和VO2,生成的輸出電流。

圖8. ISL854102DEMO3Z在VIN=24V、VO1=VO2=5V、IO1=500mA、IO2=500mA時的工作波形

其他可能的隔離式降壓轉換器配置

堆疊正輸出

在圖3中，我們展示了一種雙正輸出的拓撲。要生成倍壓器或2個不同的正電壓，次級輸出的負端子可以連接到正主輸出上，如圖9所示。

圖9. 堆疊正輸出轉換器拓撲

雙穩壓和單個非穩壓的正輸出

低壓差（LDO）穩壓器可用來生成雙穩壓輸出。圖10顯示了生成雙穩壓和單個非穩壓正輸出的配置。在這個配置中，次級側的輸出通過電阻分壓器將次級輸出連接到反饋來調節。 主輸出電壓使用LDO調節。

圖10. 使用額外的LDO實現雙穩壓輸出

適用于隔離式拓撲或其他降壓轉換器配置的應用

電氣隔離和多輸出應用在各種電源電子電路應用中很常見，如：電信，工業可編程邏輯控制器（PLC），工廠自動化，隔離式通信接口（即RS-485、RS-232），用于柵極驅動、傳感器、運算放大器、電機驅動應用的偏置電源，以及需要正和負電壓軌的任何應用。本節重點討論幾種應用，并解釋如何運用各種拓撲。

1.放大器電源

雙電源放大器比較常見，因為它效率更高，能夠在不導致DC損耗的前提下復制輸入波形。圖11A顯示了具有±12V軌的音頻放大器，圖11B顯示了具有±5V軌的運算放大器。

圖11A. 具有±12V軌的音頻放大器（左圖）

圖11B. 具有±5V軌的運算放大器（右圖）

為這類應用選擇合適的拓撲時，需要考慮輸入電壓。例如，為以±12V軌運行的音頻放大器供電，如果輸入電源軌是24V，就選擇隔離式降壓拓撲。如果使用12V電池，就可以用反相降壓-升壓拓撲，以生成負壓軌。如果使用5V USB、12V電池或綠色能源供電的系統，就應該采用隔離式降壓-升壓拓撲。圖12說明了如何用各種拓撲給音頻放大器供電。

圖12A. 用隔離式降壓拓撲提供24V輸入電源

圖12B. 輸入電源為12V電池時，用反相降壓-升壓拓撲生成負壓軌

圖12C. 輸入電源為5V USB或12V電池時，采用隔離式降壓-升壓拓撲

類似地，對以下應用中一些既需要正壓軌、又需要負壓軌的應用而言，根據不同輸入電源軌，可以分別使用圖12A、12B和12C所示的3種拓撲。

2. IGBT柵極驅動偏置

隔離式柵極驅動器一般用于大功率逆變器應用，包括UPS系統、電機控制、高密度放電（HID）燈鎮流器和感應加熱。其他應用包括AC和DC變速驅動、工業/太陽能逆變器和伺服驅動。圖13顯示了使用隔離式降壓轉換器的具有IGBT柵極驅動偏置的3相逆變器。

圖13. 使用隔離式降壓轉換器、具有隔離式IGBT柵極驅動偏置的3相逆變器

3. 采用各種接口標準的線路驅動器、接收器/轉換器/緩沖器

現在的電信和數據通信系統采用了各種接口標準。例如，射極耦合邏輯（ECL）、共模邏輯（CML）、低電壓差分信號（LVDS）等，這些接口標準用在圖形顯示接口、通信設備的移動/服務器芯片組、消費類和移動應用中。類似扇出緩沖器、時鐘驅動器、接收器等器件常常需要反相和非反相電源軌。

線路驅動器是用來驅動負載的電子放大器電路，如傳輸線。常常使用差分信號電路，因為這類電路抗噪聲性能較高，能夠更可靠地攜帶高比特率的信號，因此需要非反相和反相電源軌。

圖14顯示了LVDS/PECL驅動器至CML接收器接口的框圖。

圖14. LVDS/PECL驅動器至CML接收器接口的框圖

4.工業自動化系統

可編程邏輯控制器（PLC）常常用在工業自動化系統中，用來控制制造流程。PLC由幾種硬件系統元件組成，需要不同的電源軌。圖15顯示了PLC各種硬件構件的電源樹。

圖15. PLC各種硬件構件的電源樹

應用總結

正如以上討論的，根據不同的輸入電壓軌，設計工程師可以選擇不同的拓撲，來提供適用于各種應用的電源軌。表1總結了適合不同應用的拓撲。

表1.適合不同應用的拓撲總結

結論

在本文中，我們展示了如何通過不同的電路配置，用同步降壓轉換器生成多個輸出和反相輸出。我們也為各種拓撲推薦了適合的應用。用一個同步降壓轉換器代替不同類型的轉換器，幫助新手和專家級電源設計師簡化了電源設計。這種做法還縮小了解決方案占板面積、降低了電路復雜性和物料成本并縮短了產品上市時間。