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降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理與選型:聽聽電源工程師怎么說

得捷電子DigiKey ? 2019-07-02 11:34 ? 次閱讀


關鍵詞:降壓升壓, buck boost, 降壓升壓轉(zhuǎn)換器, 電路設計, 工作原理, 選型


摘要

采用合適的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,可以讓電路設計變得簡單。本文介紹降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理、工作模式,以及降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的選型要素,包括:輸出電壓范圍和轉(zhuǎn)換器輸出類型、開關頻率、軟啟動、靜態(tài)電流、占空比等。


直流電源轉(zhuǎn)換器 (DC-DC converter) 常見有三種基本技術(shù):降壓 (buck)、升壓 (boost) ,以及降壓-升壓(buck-boost)。在一般電源應用上,降壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生低直流輸出電壓,升壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生高直流輸出電壓,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓既可以用于產(chǎn)生小于輸入的電壓,也可以用于產(chǎn)生大于輸入的電壓。小編在本文介紹降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是如何工作的。


電路原理


顧問思義,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合了降壓、升壓兩種功能。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的簡單工作原理,參見圖1,這是個高效的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器簡單結(jié)構(gòu)圖。

圖1,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的簡單結(jié)構(gòu)圖


這樣的器件譬如ADI公司ADP2503ADP2504降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,它們內(nèi)置四個開關、兩個電容和一個電感。

圖2,ADP2503/ADP2504結(jié)構(gòu)框圖


在降壓或升壓模式下工作時,只要主動操作其中兩個開關,就可以降低降壓-升壓轉(zhuǎn)換器工作時產(chǎn)生損耗,提高效率。


降壓模式

在降壓模式下, 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器工作如下圖,Vin大于Vout時,開關C打開,開關D閉合。

圖3,典型的降壓模式操作


升壓模式

在升壓模式下,Vin小于Vout時,開關B打開,開關A閉合。這時,開關C和開關D的工作模式如下圖表示。


圖4,典型的升壓模式操作


降壓-升壓模式

請留意,當VinVout±10%范圍內(nèi),此時轉(zhuǎn)換器會進入降壓-升壓模式。在降壓-升壓模式下,兩種工作狀態(tài)(降壓和升壓)會在一個開關周期內(nèi)發(fā)生。此時須要特別注意降低損耗、優(yōu)化效率,以及消除由于模式切換造成的不穩(wěn)定性。這么做的目的標是要維持輸出電壓穩(wěn)定,以及電感上的電流紋波降至最小,從而得到較好的瞬態(tài)性能。


關鍵參數(shù)



Digi-Key官網(wǎng)上可以清楚查看不同降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的一些關鍵參數(shù),方便用戶篩選合適的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

圖5,Digi-Key官網(wǎng)上的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的參數(shù)選項


在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器選型時,一些需要留意的關鍵參數(shù)包括:


1輸出電壓范圍 (最大和最少的輸出電壓) 和轉(zhuǎn)換器輸出類型


降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以支持固定或可調(diào)的輸出電壓,也有可編程類型。可編程類型降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,如下圖中的LTC3129,可通過外部分路電阻使輸出電壓達到應用的需要。

圖6,LTC3129可編程類型降壓-升壓轉(zhuǎn)換器


2開關頻率


低功耗降壓-升壓轉(zhuǎn)換器通常在500kHz至3MHz之間工作。更高的開關頻率允許使用更小的電感器并減少PCB上需要的空間,但每增加一倍的開關頻率,效率會降低約2%


3軟啟動


具有 “軟啟動”功能很重要,這使得輸出電壓以可控方式緩緩上升,從而避免啟動時出現(xiàn)輸出電壓過沖現(xiàn)象。


4靜態(tài)電流 (Iq)


器件的Iq越低,則效率越高。然而,Iq可以針對許多條件進行規(guī)定,包括關斷、負載、脈沖頻率(PFM)工作模式或脈沖寬度(PWM)工作模式。因此,為了確定某個應用的最佳轉(zhuǎn)換器,最好查看特定工作電壓和負載電流下的實際工作效率。


5空占比 (D)


占空比 = 開關開通的時間/ 工作同周期。開通和關閉開關影響了電感能量的儲存和釋放,從而影響輸出的電壓。


所以要計算降壓模式的最小占空比和升壓模式的最大占空比。這些占空比很重要,因為在這些占空比下,可以知道轉(zhuǎn)換器工作范圍的極限。占空比總是正數(shù)且小于1。

其中,

Vinmax = 最大輸入電壓

Vinmin= 最小輸入電壓

Vout= 所需的輸出電壓

Dbuck = 降壓模式的最小占空比

Dboost= 升壓模式的最大占空比

η=以VinVoutIout計算的估計效率



本文小結(jié)



采用合適的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,可以讓電路設計變得簡單。在挑選降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時候,一些關鍵參數(shù)需要留意,這些參數(shù)包括:

·輸出電壓范圍和轉(zhuǎn)換器輸出類型

·開關頻率

·軟啟動

·靜態(tài)電流

·占空比


更多有關電源設計的技術(shù)資料如下:

·線性穩(wěn)壓器的冷卻要求

·簡單直流電路中歐姆定律的應用

·當多就是少時:用更多的穩(wěn)壓器節(jié)省寶貴的空間

·使用中等強度電流 DC/DC 穩(wěn)壓器模塊時應避免的常見錯誤

·采用安全方式測試線路供電型開關模式電源


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