原创 电源设计小贴士 5：降压—升压电源设计中降压控制器的使用

电源设计小贴士 5：降压—升压电源设计中降压控制器的使用

作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI) www.ti.com.cn

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电子电路通常都工作在正稳压输出电压下，而这些电压一般都是由降压稳压器来提供的。如果同时还需要负输出电压，那么在降压—升压拓扑中就可以配置相同的降压控制器。负输出电压降压—升压有时称之为负反向，其工作占空比为 50%，可提供相当于输入电压但极性相反的输出电压。其可以随着输入电压的波动调节占空比，以“降压”或“升压”输出电压来维持稳压。

图 1 显示了一款精简型降压—升压电路，以及电感上出现的开关电压。这样一来该电路与标准降压转换器的相似性就会顿时明朗起来。实际上，除了输出电压和接地相反以外，它和降压转换器完全一样。这种布局也可用于同步降压转换器。这就是与降压或同步降压转换器端相类似的地方，因为该电路的运行与降压转换器不同。

FET 开关时出现在电感上的电压不同于降压转换器的电压。正如在降压转换器中一样，平衡伏特-微秒 (V-μs) 乘积以防止电感饱和是非常必要的。当 FET 为开启时（如图 1 所示的 t_on 间隔），全部输入电压被施加至电感。这种电感“点”侧上的正电压会引起电流斜坡上升，这就带来电感的开启时间 V-μs 乘积。FET 关闭 (t_off) 期间，电感的电压极性必须倒转以维持电流，从而拉动点侧为负极。电感电流斜坡下降，并流经负载和输出电容，再经二极管返回。电感关闭时V-μs 乘积必须等于开启时 V-μs 乘积。由于 V_in 和 V_out 不变，因此很容易便可得出占空比 (D) 的表达式：D=V_out/(V_out " V_in)。这种控制电路通过计算出正确的占空比来维持输出电压稳压。上述表达式和图 1 所示波形均假设运行在连续导电模式下。

图 1 降压—升压电感要求平衡其伏特-微秒乘积

降压—升压电感必须工作在比输出负载电流更高的电流下。其被定义为 I_L = I<SUBOUT< sub>/(1-D)，或只是输入电流与输出电流相加。对于和输入电压大小相等的负输出电压（D = 0.5）而言，平均电感电流为输出的 2 倍。

有趣的是，连接输入电容返回端的方法有两种，其会影响输出电容的 rms 电流。典型的电容布局是在 +V_in 和 Gnd 之间，与之相反，输入电容可以连接在 +V_in和 "V<SUBOUT< sub> 之间。利用这种输入电容配置可降低输出电容的rms电流。然而，由于输入电容连接至 "V_out，因此 "V_out 上便形成了一个电容性分压器。这就在控制器开始起作用以前，在开启时间的输出上形成一个正峰值。为了最小化这种影响，最佳的方法通常是使用一个比输出电容要小得多的输入电容，请参见图 2 所示的电路。输入电容的电流在提供 dc 输出电流和吸收平均输入电流之间相互交替。rms 电流电平在最高输入电流的低输入电压时最差。因此，选择电容器时要多加注意，不要让其 ESR 过高。陶瓷或聚合物电容器通常是这种拓扑较为合适的选择。

图 2 降压控制器在降压—升压中的双重作用

必须要选择一个能够以最小输入电压减去二极管压降上电的控制器，而且在运行期间还必须能够承受得住 V_in 加 V_out 的电压。FET 和二极管还必须具有适用于这一电压范围的额定值。通过连接输出接地的反馈电阻器可实现对输出电压的调节，这是由于控制器以负输出电压为参考电压。只需精心选取少量组件的值，并稍稍改动电路，降压控制器便可在负输出降压—升压拓扑中起到双重作用。

特别感谢 TI John Betten 对本文所做的贡献。下次的“电源设计小贴士6”中，我们将讨论如何正确测量电源纹波。

Robert Kollman 现任 TI 高级应用经理兼科技委员会的资深委员。他拥有在电源电子领域超过 30 年的工作经验。Robert 毕业于得克萨斯 A&M 大学 (Texas A&M University)，获电子工程理学士学位，后又毕业于南卫理公会大学 (Southern Methodist University)，获电子工程硕士学位。