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降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理與選型:聽(tīng)聽(tīng)電源工程師怎么說(shuō)

得捷電子DigiKey ? 2019-07-02 11:34 ? 次閱讀
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關(guān)鍵詞:降壓升壓, buck boost, 降壓升壓轉(zhuǎn)換器, 電路設(shè)計(jì), 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(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)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(lèi)型、開(kāi)關(guān)頻率、軟啟動(dòng)、靜態(tài)電流、占空比等。


直流電源轉(zhuǎn)換器 (DC-DC converter) 常見(jiàn)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(yīng)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(wèn)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(jiǎn)單工作原理,參見(jiàn)圖1,這是個(gè)高效的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖。

圖1,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖


這樣的器件譬如ADI公司的ADP2503ADP2504降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,它們內(nèi)置四個(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感。

圖2,ADP2503/ADP2504結(jié)構(gòu)框圖


在降壓或升壓模式下工作時(shí),只要主動(dòng)操作其中兩個(gè)開(kāi)關(guān),就可以降低降壓-升壓轉(zhuǎn)換器工作時(shí)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(shí),開(kāi)關(guān)C打開(kāi),開(kāi)關(guān)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(shí),開(kāi)關(guān)B打開(kāi),開(kāi)關(guān)A閉合。這時(shí),開(kāi)關(guān)C和開(kāi)關(guān)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(qǐng)留意,當(dāng)VinVout±10%范圍內(nèi),此時(shí)轉(zhuǎn)換器會(huì)進(jìn)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(huì)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)發(fā)生。此時(shí)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(biāo)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(guān)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(guān)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(xiàng)


在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器選型時(shí),一些需要留意的關(guān)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(lèi)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(lèi)型??删幊填?lèi)型降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,如下圖中的LTC3129,可通過(guò)外部分路電阻使輸出電壓達(dá)到應(yīng)用的需要。

圖6,LTC3129可編程類(lèi)型降壓-升壓轉(zhuǎn)換器


2開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率,效率會(huì)降低約2%。


3軟啟動(dòng)


具有 “軟啟動(dòng)”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(dòng)時(shí)出現(xiàn)輸出電壓過(guò)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(duì)許多條件進(jìn)行規(guī)定,包括關(guān)斷、負(fù)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(gè)應(yīng)用的最佳轉(zhuǎn)換器,最好查看特定工作電壓和負(fù)載電流下的實(shí)際工作效率。


5空占比 (D)


占空比 = 開(kāi)關(guān)開(kāi)通的時(shí)間/ 工作同周期。開(kāi)通和關(guān)閉開(kāi)關(guān)影響了電感能量的儲(chǔ)存和釋放,從而影響輸出的電壓。


所以要計(jì)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?yàn)樵谶@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Vin、VoutIout計(jì)算的估計(jì)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(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。在挑選降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)候,一些關(guān)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(lèi)型

·開(kāi)關(guān)頻率

·軟啟動(dòng)

·靜態(tài)電流

·占空比


更多有關(guān)電源設(shè)計(jì)的技術(shù)資料如下:

·線性穩(wěn)壓器的冷卻要求

·簡(jiǎn)單直流電路中歐姆定律的應(yīng)用

·當(dāng)多就是少時(shí):用更多的穩(wěn)壓器節(jié)省寶貴的空間

·使用中等強(qiáng)度電流 DC/DC 穩(wěn)壓器模塊時(shí)應(yīng)避免的常見(jiàn)錯(cuò)誤

·采用安全方式測(cè)試線路供電型開(kāi)關(guān)模式電源


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