如何着手电源设计

在本篇文章中,我将从不同方面深入介绍降压、升压和降压-升压拓扑结构。

降压转换器

图1是非同步降压转换器的原理图。降压转换器将其输入电压降低为较低的输出电压。当开关Q1导通时,能量转移到输出端。

 

1非同步降压转换器原理图

 

公式1计算占空比:

 

 

公式2计算最大金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)应力:

 

 

公式3给出了最大二极管应力:

 

 

其中Vin是输入电压,Vout是输出电压,Vf是二极管正向电压。

与线性稳压器或低压差稳压器(LDO)相比,输入电压和输出电压之间的差异越大,降压转换器的效率就越高。

尽管降压转换器在输入端具有脉冲电流,但由于的电感 - 电容(LC)滤波器位于转换器的输出端,输出电流是连续的。结果,与输出端的纹波相比,反射到输入端的电压纹波将会更大。

对于占空比小且输出电流大于3A的降压转换器,建议使用同步整流器。如果您的电源需要大于30A的输出电流,建议使用多相或交错功率级,因为这样可以最大限度地减少组件的应力,在多个功率级之间分散产生的热量,并减少转换器输入端的反射纹波。

使用N-FET时会造成占空比受限,因为自举电容需要在每个开关循环进行再充电。在这种情况下,最大占空比在95-99%的范围内。

降压转换器通常具有良好的动态特性,因为它们为正向拓扑结构。可实现的带宽取决于误差放大器的质量和所选择的开关频率。

图2至图7显示了非同步降压转换器中FET、二极管和电感器在连续导通模式(CCM)下的电压和电流波形。

 

 

升压转换器

升压转换器将其输入电压升高为更大的输出电压。当开关Q1不导通时,能量转移到输出端。图8是非同步升压转换器的原理图。

 

8非同步升压转换器原理图

 

公式4计算占空比:

 

公式5计算最大MOSFET应力:

 

公式6给出了最大二极管应力:

 

其中Vin是输入电压,Vout是输出电压,Vf是二极管正向电压。

使用升压转换器,可以看到脉冲输出电流,因为LC滤波器位于输入端。因此,输入电流是连续的,输出电压纹波大于输入电压纹波。

在设计升压转换器时,重要的是要知道,即使转换器不在进行切换,也会有从输入到输出的永久连接。必须采取预防措施,以防输出端可能发生的短路事件。

对于大于4A的输出电流,应使用同步整流器替换二极管。如果电源需要提供大于10A的输出电流,强烈建议采用多相或交错功率级方式。

当在CCM模式下工作时,升压转换器的动态特性由于其传递函数的右半平面零点(RHPZ)而受到限制。由于RHPZ无法补偿,所以可实现的带宽通常将小于RHPZ频率的五分之一到十分之一。请参见公式7:

 

 

其中Vout是输出电压,D是占空比,Iout是输出电流,L1是升压转换器的电感。

图9至图14显示了非同步升压转换器中FET、二极管和电感器在CCM模式下的电压和电流波形。

  

 

降压-升压转换器

降压-升压转换器是降压和升压功率级的组合,共享相同的电感器。参见图15。

15双开关降压-升压转换器原理图

 

降压-升压拓扑结构很实用,因为输入电压可以比输出电压更小、更大或相同,而需要输出功率大于50W。

对于小于50W的输出功率,单端初级电感转换器(SEPIC)是一种更具成本效益的选择,因为它使用较少的组件。

当输入电压大于输出电压时,降压-升压转换器以降压模式工作;输入电压小于输出电压时,在升压模式下工作。当转换器在输入电压处于输出电压范围内的传输区域中工作时,处理这些情况有两个概念:或是降压和升压级同时有效,或是开关循环在降压和升压级之间交替,每个通常以正常开关频率的一半运行。第二个概念可以在输出端引起次谐波噪声,而与常规降压或升压工作相比,输出电压精度可能不那么精确,但与第一个概念相比,转换器将更加有效。

降压-升压拓扑结构在输入和输出端都有脉冲电流,因为任一方向都没有LC滤波器。

对于降压-升压转换器,可以分别使用降压和升压功率级计算。

具有两个开关的降压-升压转换器适用于50W至100W之间的功率范围(如LM5118),同步整流功率可达400W(与LM5175相同)。建议使用与未组合降压和升压功率级相同的电流限制的同步整流器。

您需要为升压级设计降压-升压转换器的补偿网络,因为RHPZ会限制稳压器带宽。

其他信息

观看TI培训视频:

  • 现在最火的就是第三种升降压转换器了。在快充移动电源中就广泛应用,好像TI是最早做这个芯片的。这个芯片有个难点就是输出电压接近输入电压的时候,这种状态比较难控制,不知道TI的芯片的解决方法是什么?

  • 这真的是一个好文章,很清楚透彻的讲解了电路设计的基本要点,对于要学习电路设计的大家,及时有用。

  • 降压-升压转换器的原型是BUCK-BOOST电路,如果做小功率电源,

    转换为隔离式的反激拓扑更好一些。

  • 线性稳压器的输入电压与输出电压可以做到非常小,而降压型开关拓扑结构的电源的输入电压和输出电压之间的差异越大,降压转换器的效率就越高,博主深刻阐述了降压拓扑的特性。请问如何理解"与输出端的纹波相比,反射到输入端的电压纹波将会更大"这句话呢?