简化同步降压-升压转换器规划

作者：德州仪器 (TI),Timothy Hegarty

不同电源转化器技能规范中的一个明显改动便是需求将宽规模的输入电压转化为经稳压的输出电压。[1]但是，假如未经稳压的输入电压在经稳压输出电压的设定点以上、以下或许是与之持平的规模内不断改动，而需求进行降压–升压转化时，这个使命就会变得愈加具有挑战性。降压-升压转化关于许多运用是必不可少的，这些运用包含电池充电、固态照明、工业核算和轿车运用。[2]

这篇文章扼要回忆了与4开关降压-升压转化器规划相关的许多要素。特别答复了组件选型和功耗核算方面的问题，以及用快速发动核算器东西[3] 来和谐和加速转化器规划流程的问题。

同步降压-升压转化器运转

作为一个既供给升压转化又能履行降压转化的有用办法，一款规划合理的降压-升压电路因为其便利性而成为一个不可或缺的器材。咱们来温习一下图1中所示的4开关（非反向）同步降压-升压拓扑。

降压-升压功率级的首要长处在于，降压、升压、以及降压-升压转化形式能够依照需求在宽输入电压和负载电流规模内完成高功率。和与之相类似的单开关（反向）降压-升压比较，它还供给一个正的输出电压，以及相关于SEPIC、反激式和级联升压-降压拓扑较低的功率损耗和更高的功率密度。

图1. 4开关同步降压-升压转化器功率级。

在图1中，4个功率MOSFET被组织为H桥装备中的降压和升压桥臂，其间的开关节点SW1和SW2由电感器LF 相连。当输入电压别离高于或低于输出电压时，同步降压或升压开端运转，而对面非开关桥臂的高侧MOSFET运转为导通器材。更重要的一点是，当输入电压挨近输出电压时，开关降压或升压桥臂到达预期的占空比限值，然后触发向降压-升压作业形式的转化。操作形式的改动应该滑润顺利、而且是自主进行的，无需改动操控装备。这一意图的完成办法，以及功率级与操控机制或许存在的彼此依赖联系是非常重要的。

例如，作为一款特定的降压-升压操控器，LM5175[4]在降压-升压形式中选用一个共同的机制，降压和升压桥臂以准交织的办法在削减的频率上切换，然后在功率和功率损耗方面有着明显优势。峰值电流形式和谷值电流形式降压操控技能可完成滑润顺利的形式改换，需求的仅仅一个用于电流感测的低侧已装备分压电阻器。根据VIN和VOUT之间差异的斜坡补偿完成办法往往为无差拍呼应，而且标志着一个添加电源按捺 (PSR) 和按捺线路瞬变的好办法。

针对电流形式降压-升压转化器的规划流程

图2中制作的是一个4开关同步降压-升压转化器完好的电路原理图。这个电路原理图包含针对功率级、栅极驱动器的自举电路、电流感测网路的组件，以及用于完成更低电磁搅扰 (EMI) 的展频频率调制 (SSFM)、[5]可编程欠压闭锁(UVLO)、输出反应和环路补偿的组件。

图2.具有电流形式操控器的4开关降压-升压转化器的电路原理图。

一个快速发动东西资源[3]供给了一个针对4开关降压-升压转化器的剖析与规划结构。过程是从转化器技能规范到组件选型，再到功用审验（功率、组件耗散和波特图），假如需求的话，之后是重复规划。将LM5175同步降压-升压操控器作为起点，让咱们来一步步地回忆一下400kHz转化器的规划流程；这款转化器在6A额外电流下，在输入源为6V至42V电压时，供给一个12V输出。

过程1：运转技能规范

图3中的屏幕截图显现的是过程1，或针对输入电压规模、输出电压、负载电流和开关频率的用户技能规范条目。

过程2：电感器挑选

电感取决于输入电压规模和方针峰值到峰值电感器纹波电流比。方程式1别离设定了30%和80%时，深度升压和深度降压运转点内的方针纹波电流比。



有3个首要参数能够证明电感器功用—电阻 (DCR)、饱满电流 (ISAT)和内核损耗。具有铁粉磁芯资料的电感器在高达400kHz的开关频率上具有杰出的功用，然后成为许多运用中的干流解决方案。值得注意也非常抱负的特性便是电感会跟着电流的添加而逐步削减。一起，以铁氧体为磁芯的电感器具有相对低的内核损耗，尽管它们会在饱满刚刚开端时避免电感骤降。


图3. 过程1到3别离是指运转技能规范、电感器挑选和电流感测。这个电路原理图是根据输入的以及核算出来的组件值主动拼装而成。

过程3：分路电阻

根据针对电流限值的相关阈值设定分路电阻。例如，方程式2适用于LM5175，并在降压中指定80mV谷值阈值，在升压中指定160mV的峰值阈值。当升压占空比在其最大值时，分路功率耗散在最低输入电压上到达峰值。一个宽纵横比分路电阻器，比如说封装规范为1225的电阻器，有利于将PCB布局布线中的元件放置方位[5]接近两个低侧MOSFET的源极衔接。


下一步，斜坡补偿取得感测到的信号，而且在降压形式中，添加一个等于电感器斜升的斜坡重量，或许在升压形式中添加一个与电感器渐降持平的斜坡重量。方程式3中给出了斜坡电容[4] 的核算办法


过程4和5：输入与输出电容器挑选

在图4中，过程4和5是指别离由降压和升压作业形式设定的输入和输出电容值。高密度规划越来越多地将数个X5R-或X7R-介质陶瓷元件组合在一起，有时还附带着一个小尺度电解电容器来完成大批量储能功用。方程式4运用针对峰值到峰值的纹波电压，在假定没有等效串联电阻 (ESR) 纹波重量的情况下设定基线电容估计值。



然后，在电容值被选中后，在知道ESR的情况下，反算出各自的峰值到峰值的纹波电压



输入电容器RMS电流（以及纹波电压）在降压形式期间，占空比为50%时到达最大值。另一方面，最高输出电容器RMS电流出现在升压形式期间占空比到达最大值的时分。RMS电流的表达式为



图4. 过程4至7是指电容器选型、补偿器规划、以及波特图剖析。

过程6：软发动、颤动、欠压闭锁 (UVLO)

根据发动时刻技能规范，所需的软发动电容值为



下一个选项是运用方程式8来挑选颤动电容值，以设定展频调制频率[5]，在这里，Gd是与操控器相关的电导系数。



欠压闭锁电阻器别离设定了针对转化器发动与关断的上升和下降输入电压阈值。挑选上限UVLO电阻值来设定迟滞。那么，假如VNV(ON)是UVLO比较器上限阈值，相应的下限UVLO电阻值终究为[4]



过程7：环路补偿

小信号操控环路补偿功用由2个根底波特图衡量规范测定：穿插频率和相位裕量。由RC和CC1决议的补偿器零频率供给穿插频率之前的相位提高。坐落输出%&&&&&%器ESR零点邻近（或许是开关频率的一半，以低者为准），随CC2建立起来的一个极点供给噪声衰减，而且尽或许地将到COMP节点的输出纹波传达降到最低。运用以下方程式挑选补偿组件



要微调现已添加的带宽，只需添加补偿电阻RC，而且依照需求调整针对相位裕量的CC1。当然，与升压相关的右半平面零点 (RHPZ)，以及穿插频率低于RHPZ频率的50%，完成能够承受的相位裕量等约束条件由以下方程式给出

需求指出的是，因为已削减的电流形式调制器增益（与1-DBOOST成份额），升压形式中的穿插频率往往较低。确实，在最低输入电压时对波特图的快速查看能够很清楚的看出补偿器零点是否有助于在穿插频率邻近完成满意相位。

过程8：功率猜测

图5中显现的过程8供给了功率和组件功率耗散与线路和负载之间的联系曲线图。

一切4个功率MOSFET的特征值以导通状况电阻、栅极电荷、栅极电阻、转导、栅源阈值电压，以及体二极管正向压降和反向恢复电荷参数为中心发生改动。当然，升压中的电感器运转电流要高于降压下的电感器运转电流，不过额外电压为VOUT的升压桥臂MOSFET一般比额外电压为最大VIN的降压桥臂器材具有较低的RDS(ON)。

方程式12和13别离核算降压和升压形式下的传导、开关和栅极驱动损耗。针对降压-升压形式的相应表达式是方程式12和13的权重组合，其根据是降压-升压窗口中的运转点，而且将频率除以2。

正如预期的那样，电感器覆铜和磁芯损耗、开关死区传导损耗、分路损耗，以及偏置稳压器损耗也会对功率的核算值产生影响。假如从整体上考虑损耗的话，一个具有12V经稳压输出的4开关降压-升压转化器完全能够在宽规模的输出电流和输入电压规模内完成96%以上的功率。


图5. 过程8是指MOSFET技能规范、功率曲线图和功率损耗剖析。

总结

针对工业和轿车运用的降压-升压转化器具有共同的电源解决方案要求。在证明其易用性、高功率、细巧尺度和较低的整体物料清单本钱后，4开关同步降压-升压转化器供给调集优势，以满意所需的首要功用。假如其间触及组件彼此相关和功用取舍，一款快速发动的核算器关于加速和简化转化器规划来说肯定是一个快捷的东西。