簡(jiǎn)化同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

作者：德州儀器 (TI),Timothy Hegarty

不同電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)規(guī)格中的一個(gè)明顯變化就是需要將寬范圍的輸入電壓轉(zhuǎn)換為經(jīng)穩(wěn)壓的輸出電壓。[1]然而，如果未經(jīng)穩(wěn)壓的輸入電壓在經(jīng)穩(wěn)壓輸出電壓的設(shè)定點(diǎn)以上、以下或者是與之相等的范圍內(nèi)不斷變化，而需要進(jìn)行降壓-升壓轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)任務(wù)就會(huì)變得更加具有挑戰(zhàn)性。降壓-升壓轉(zhuǎn)換對(duì)于大量應(yīng)用是必不可少的，這些應(yīng)用包括電池充電、固態(tài)照明、工業(yè)計(jì)算和汽車應(yīng)用。[2]

這篇文章簡(jiǎn)要回顧了與4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相關(guān)的很多因素。特別回答了組件選型和功耗計(jì)算方面的問題，以及用快速啟動(dòng)計(jì)算器工具[3] 來協(xié)調(diào)和加快轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)流程的問題。

同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行

作為一個(gè)既提供升壓轉(zhuǎn)換又能執(zhí)行降壓轉(zhuǎn)換的有效方法，一款設(shè)計(jì)合理的降壓-升壓電路由于其便利性而成為一個(gè)不可或缺的器件。我們來復(fù)習(xí)一下圖1中所示的4開關(guān)（非反向）同步降壓-升壓拓?fù)?/strong>。

降壓-升壓功率級(jí)的主要優(yōu)點(diǎn)在于，降壓、升壓、以及降壓-升壓轉(zhuǎn)換模式可以按照需要在寬輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。和與之相類似的單開關(guān)（反向）降壓-升壓相比，它還提供一個(gè)正的輸出電壓，以及相對(duì)于SEPIC、反激式和級(jí)聯(lián)升壓-降壓拓?fù)漭^低的功率損耗和更高的功率密度。

圖1. 4開關(guān)同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)。

在圖1中，4個(gè)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(guān)節(jié)點(diǎn)SW1和SW2由電感器LF 相連。當(dāng)輸入電壓分別高于或低于輸出電壓時(shí)，同步降壓或升壓開始運(yùn)行，而對(duì)面非開關(guān)橋臂的高側(cè)MOSFET運(yùn)行為導(dǎo)通器件。更重要的一點(diǎn)是，當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，開關(guān)降壓或升壓橋臂達(dá)到預(yù)期的占空比限值，從而觸發(fā)向降壓-升壓工作模式的轉(zhuǎn)換。操作模式的變化應(yīng)該平滑順暢、并且是自主進(jìn)行的，無需改變控制配置。這一目的的實(shí)現(xiàn)方式，以及功率級(jí)與控制機(jī)制可能存在的相互依賴關(guān)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(gè)獨(dú)特的機(jī)制，降壓和升壓橋臂以準(zhǔn)交錯(cuò)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(yōu)勢(shì)。峰值電流模式和谷值電流模式降壓控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)平滑順暢的模式變換，需要的只是一個(gè)用于電流感測(cè)的低側(cè)已配置分壓電阻器。基于VIN和VOUT之間差異的斜坡補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方式往往為無差拍響應(yīng)，并且標(biāo)志著一個(gè)增加電源抑制 (PSR) 和抑制線路瞬變的好方法。

針對(duì)電流模式降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)流程

圖2中繪制的是一個(gè)4開關(guān)同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器完整的電路原理圖。這個(gè)電路原理圖包括針對(duì)功率級(jí)、柵極驅(qū)動(dòng)器的自舉電路、電流感測(cè)網(wǎng)路的組件，以及用于實(shí)現(xiàn)更低電磁干擾 (EMI) 的展頻頻率調(diào)制 (SSFM)、[5]可編程欠壓閉鎖(UVLO)、輸出反饋和環(huán)路補(bǔ)償?shù)慕M件。

圖2.具有電流模式控制器的4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。

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

步驟1：運(yùn)行技術(shù)規(guī)格

圖3中的屏幕截圖顯示的是步驟1，或針對(duì)輸入電壓范圍、輸出電壓、負(fù)載電流和開關(guān)頻率的用戶技術(shù)規(guī)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(biāo)峰值到峰值電感器紋波電流比。方程式1分別設(shè)定了30%和80%時(shí)，深度升壓和深度降壓運(yùn)行點(diǎn)內(nèi)的目標(biāo)紋波電流比。



有3個(gè)主要參數(shù)可以證明電感器性能—電阻 (DCR)、飽和電流 (ISAT)和內(nèi)核損耗。具有鐵粉磁芯材料的電感器在高達(dá)400kHz的開關(guān)頻率上具有突出的性能，從而成為很多應(yīng)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(huì)隨著電流的增加而逐漸減少。同時(shí)，以鐵氧體為磁芯的電感器具有相對(duì)低的內(nèi)核損耗，雖然它們會(huì)在飽和剛剛開始時(shí)防止電感驟降。


圖3. 步驟1到3分別是指運(yùn)行技術(shù)規(guī)格、電感器篩選和電流感測(cè)。這個(gè)電路原理圖是根據(jù)輸入的以及計(jì)算出來的組件值自動(dòng)組裝而成。

步驟3：分路電阻

根據(jù)針對(duì)電流限值的相關(guān)閾值設(shè)定分路電阻。例如，方程式2適用于LM5175，并在降壓中指定80mV谷值閾值，在升壓中指定160mV的峰值閾值。當(dāng)升壓占空比在其最大值時(shí)，分路功率耗散在最低輸入電壓上達(dá)到峰值。一個(gè)寬縱橫比分路電阻器，比如說封裝規(guī)格為1225的電阻器，有利于將PCB布局布線中的元件放置位置[5]靠近兩個(gè)低側(cè)MOSFET的源極連接。


下一步，斜坡補(bǔ)償獲得感測(cè)到的信號(hào)，并且在降壓模式中，增加一個(gè)等于電感器斜升的斜坡分量，或者在升壓模式中增加一個(gè)與電感器漸降相等的斜坡分量。方程式3中給出了斜坡電容[4] 的計(jì)算方式


步驟4和5：輸入與輸出電容器篩選

在圖4中，步驟4和5是指分別由降壓和升壓工作模式設(shè)定的輸入和輸出電容值。高密度設(shè)計(jì)越來越多地將數(shù)個(gè)X5R-或X7R-介質(zhì)陶瓷元件組合在一起，有時(shí)還附帶著一個(gè)小尺寸電解電容器來實(shí)現(xiàn)大批量?jī)?chǔ)能功能。方程式4使用針對(duì)峰值到峰值的紋波電壓，在假定沒有等效串聯(lián)電阻 (ESR) 紋波分量的情況下設(shè)定基線電容估計(jì)值。



然后，在電容值被選中后，在知道ESR的情況下，反算出各自的峰值到峰值的紋波電壓



輸入電容器RMS電流（以及紋波電壓）在降壓模式期間，占空比為50%時(shí)達(dá)到最大值。另一方面，最高輸出電容器RMS電流出現(xiàn)在升壓模式期間占空比達(dá)到最大值的時(shí)候。RMS電流的表達(dá)式為



圖4. 步驟4至7是指電容器選型、補(bǔ)償器設(shè)計(jì)、以及波特圖分析。

步驟6：軟啟動(dòng)、抖動(dòng)、欠壓閉鎖 (UVLO)

根據(jù)啟動(dòng)時(shí)間技術(shù)規(guī)格，所需的軟啟動(dòng)電容值為



下一個(gè)選項(xiàng)是使用方程式8來選擇抖動(dòng)電容值，以設(shè)定展頻調(diào)制頻率[5]，在這里，Gd是與控制器相關(guān)的電導(dǎo)系數(shù)。



欠壓閉鎖電阻器分別設(shè)定了針對(duì)轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)與關(guān)斷的上升和下降輸入電壓閾值。選擇上限UVLO電阻值來設(shè)定遲滯。那么，如果VNV(ON)是UVLO比較器上限閾值，相應(yīng)的下限UVLO電阻值最終為[4]



步驟7：環(huán)路補(bǔ)償

小信號(hào)控制環(huán)路補(bǔ)償性能由2個(gè)基礎(chǔ)波特圖度量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定：交叉頻率和相位裕量。由RC和CC1決定的補(bǔ)償器零頻率提供交叉頻率之前的相位提升。位于輸出電容器ESR零點(diǎn)附近（或者是開關(guān)頻率的一半，以低者為準(zhǔn)），隨CC2建立起來的一個(gè)極點(diǎn)提供噪聲衰減，并且盡可能地將到COMP節(jié)點(diǎn)的輸出紋波傳播降到最低。使用以下方程式選擇補(bǔ)償組件



要微調(diào)已經(jīng)增加的帶寬，只需增加補(bǔ)償電阻RC，并且按照需要調(diào)整針對(duì)相位裕量的CC1。當(dāng)然，與升壓相關(guān)的右半平面零點(diǎn) (RHPZ)，以及交叉頻率低于RHPZ頻率的50%，實(shí)現(xiàn)可以接受的相位裕量等約束條件由以下方程式給出

需要指出的是，由于已減少的電流模式調(diào)制器增益（與1-DBOOST成比例），升壓模式中的交叉頻率往往較低。的確，在最低輸入電壓時(shí)對(duì)波特圖的快速檢查可以很清楚的看出補(bǔ)償器零點(diǎn)是否有助于在交叉頻率附近實(shí)現(xiàn)足夠相位。

步驟8：效率預(yù)測(cè)

圖5中顯示的步驟8提供了效率和組件功率耗散與線路和負(fù)載之間的關(guān)系曲線圖。

所有4個(gè)功率MOSFET的特征值以導(dǎo)通狀態(tài)電阻、柵極電荷、柵極電阻、轉(zhuǎn)導(dǎo)、柵源閾值電壓，以及體二極管正向壓降和反向恢復(fù)電荷參數(shù)為中心發(fā)生變化。當(dāng)然，升壓中的電感器運(yùn)行電流要高于降壓下的電感器運(yùn)行電流，不過額定電壓為VOUT的升壓橋臂MOSFET通常比額定電壓為最大VIN的降壓橋臂器件具有較低的RDS(ON)。

方程式12和13分別計(jì)算降壓和升壓模式下的傳導(dǎo)、開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗。針對(duì)降壓-升壓模式的相應(yīng)表達(dá)式是方程式12和13的權(quán)重組合，其依據(jù)是降壓-升壓窗口中的運(yùn)行點(diǎn)，并且將頻率除以2。

正如預(yù)期的那樣，電感器覆銅和磁芯損耗、開關(guān)死區(qū)傳導(dǎo)損耗、分路損耗，以及偏置穩(wěn)壓器損耗也會(huì)對(duì)效率的計(jì)算值產(chǎn)生影響。如果從總體上考慮損耗的話，一個(gè)具有12V經(jīng)穩(wěn)壓輸出的4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器完全可以在寬范圍的輸出電流和輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)96%以上的效率。


圖5. 步驟8是指MOSFET技術(shù)規(guī)格、效率曲線圖和功率損耗分析。

總結(jié)

針對(duì)工業(yè)和汽車應(yīng)用的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器具有獨(dú)特的電源解決方案要求。在證明其易用性、高效率、小巧尺寸和較低的總體物料清單成本后，4開關(guān)同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器提供集合優(yōu)勢(shì)，以滿足所需的主要功能。如果其中涉及組件相互關(guān)聯(lián)和功能取舍，一款快速啟動(dòng)的計(jì)算器對(duì)于加快和簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)來說絕對(duì)是一個(gè)便捷的工具。