降压/升压转换器随时代变迁

　　详解

　　既然降压/升压电路有如此多的应用，这使模拟系统工程师有必要更多了解它们。首先是术语。隔离回扫转换器能提供固定输出电压，甚至在输入电压摆动至高于或低于输出时也如此。然而没有人把回扫转换器称作降压/升压转换器。另一个例子是离线电源中的PFC（功率因数校正）电路。即使第一级是升压转换器，第二级是降压转换器，工程师也很少把该体系结构称作降压/升压转换器。存在开关电容器降压/升压电路，例如美国国家半导体公司（NationalSemiconductor）的LM3355，但多数设计者在听到“降压/升压”这一术语时会想到电感转换器。其它先进的转换器拓扑结构，比如Telsa公司的隔离式TeslaConverter，能执行降压/升压功能，但工程师也不把它们称作“降压/升压”转换器。

　　经典的降压/升压转换器是具有逆变体系结构的单开关转换器（图2a）。由于该电路是逆变的，因此它的输出电压可以高于或低于输入电压，而无论哪个电压在变化，无论是否两个电压都在变化。当开关关闭时，电感积累电流。当开关打开时，电感仍试图使该电流流动，因此电感的开关端变为负，而电感电流随后把输出电容器充电至某个相对于输入电压为负的电压。在5V输入时，电路同样运行良好，产生-4V和-6V（图2b）。正如其它多数电源体系结构一样，单开关转换器也有许多有效变化。通过重新排列电感，可以造出负至正降压/升压转换器（图2c）。像简单的降压或升压体系结构一样，降压/升压转换器能以连续或非连续模式运行。

　　这种简单的逆变降压/升压拓扑结构当然可行，但一个缺点是功率晶体管的开关动作会在输入电容器中造成强烈的电流纹波。加州理工学院教授SlobodanCuk于1976年解决了这个问题，当时他发明了Cuk转换器拓扑结构（参考文献1、参考文献2、图3）。通过添加第二个电感并使用电容器转移能量，Cuk转换器用电感把开关围绕起来。由于输入电容器向电感的非开关端馈电，因此任何输入电流的变化速度都不超过三角波。与此类似，电路用第二个电感的非开关端向输出电容器馈电，因此电流的三角波也给这些电容充电，产生较低的纹波电压，并因此在电容器中产生较少热量。尽管使用两个电感成本更高，但人们可经常使用价值较低的输入和输出电容器，它们能节约成本。变化较慢的电容器电流导致电路产生较少的EMI（电磁干扰）和RFI（射频干扰），这对汽车应用有利。慢速输入电流的变化意味着可以无须使用输入电容器，并且由于汽车导线中的电流是三角波，因此转换器电路不会产生很多令人反感的电噪声。

　　常规降压/升压转换器和Cuk转换器的一个局限性在于，它们与SEPIC（单端初级电感转换器）不同，会使输入电压逆变。与Cuk转换器一样，SEPIC使用两个电感（图4）。SEPIC调换了电感和二极管的位置，因此输出电压为正。不利方面在于电感和二极管的位置与Cuk转换器中相反，因此在输出电容器产生了更高的瞬时电流变化速率。SEPIC还提供了非逆变输出电压，因此人们能使几乎任何升压转换IC都适应SEPIC拓扑结构。包括凌力尔特在内的一些公司把类似于LT1513这样的元件标为SEPICIC。

　　Cuk和SEPIC体系结构的一个优点是，它们不允许电力通过转换器回流，这是因为它们包含一个电容，它把能量从输入端转移至输出端。该特性在电池充电方面可以提供重要益处。电容器防止电流从电池向后流动，经过元件并进入输入端。

　　另一个需要输入电压与输出电压具有相同极性的应用是一种把4.2V~2.5V锂离子电芯电压转换至3.3V的电路。可在该应用中使用SEPIC，但它们的效率一般仅为82%~85%。在试图从锂离子电芯中挤出最后一点能量时，上述效率是不可接受的。在这种情况下，设计者可以转向一种四开关同步降压/升压体系结构（图5）。该拓扑结构仅用一个电感，但使用四个功率晶体管把电感当作降压或升压转换器，这取决于输入电压。输入和输出电流经受的纹波可能大于Cuk转换器，但手持设备目前使用陶瓷功率电容器，它们的ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感）很低，因此纹波电流不会造成关联的纹波电压。正如人们想象的那样，同步降压/升压转换器面临的难题是控制。两个电源开关的作用是转换降压和升压模式。另两个晶体管开关是同步整流器，正如它们在同步降压或同步升压转换器中那样。当转换器在降压模式和升压模式之间回转时，所有四个晶体管均须无缝开关。

　　手持系统市场由于销量大，利润高，促使许多厂商挺身迎接同步降压/升压转换器制造方面的挑战。德州仪器公司（TexasInstruments）应用经理MichaelDay说：“我们已把传统的四开关降压/升压分解为两条控制环路，来提供升压转换器或降压转换器。我们优化了控制系统，以便在3.6V输入电压提供最高效率。”据Day表示，一些常规四开关降压/升压拓扑结构在输入电压和输出电压彼此接近时，会立刻操作所有四个开关。

　　凌力尔特公司模拟设计师CarlNelson把该模式称作“回扫”，这是因为该元件把能量存于电感，然后把它切换到输出电容器中。TITPS63000利用它的两条控制环路来操作降压或升压开关，但从不操作所有四个。该方法使各单元能在很大输入范围内的效率达到95%以上。由于该元件在降压和升压操作之间切换，因此看起来也许像是所有四个开关立刻在工作，但该元件首先执行一个降压循环，然后执行一个升压循环。一旦输入电压和输出电压分道，该元件就锁定到一种工作模式中。由于该元件从不以四开关模式运行，因此同步FET只是当作低损耗二极管。

　　与此类似，凌力尔特公司提供LTC3440，它于2001年面世，现在包含的元部件超过一打。该公司还提供LTM4605模块，其效率从不低于93%，还提供一种降压/升压控制器，使人们能使用四个外部晶体管。LTC3780在输入端能承受高达36V电压，因此可把它用于需要降压/升压功能的汽车和工业应用。

　　由于使用锂离子电池的应用在增多，许多模拟设计公司正在制造各种元件来降低和升高电池电压。例如，AnalogDevices公司最近发布了四开关H桥同步ADP2503和ADP2504降压/升压转换器，开关频率为2.5MHz。这些器件使用一种平均电流模式体系结构来改善瞬态响应，由此提供良好的负载调节，并在释放突发电流浪涌时防止过冲。与其它同步降压/升压元件一样，ADP2503能依靠一个锂离子电芯供电，并保持超过92%的效率。该元件的静态电流也很低，因此即使在输出功率电平很低时也能保持高效率。另一种器件是美国国家半导体公司的LM3668，它把锂离子电芯降低或升高至3.3V或类似电压，输出1A，开关频率为2.2MHz。

　　在补偿那些在电源路径中可能有多达四个极的系统方面，IC厂商已降低了它的复杂性和设计挑战。该特性使系统设计者能专注于产品的体系结构，而不是电源转换器的控制算法方面的琐事。Cuk、SEPIC、降压/升压拓扑结构都在变得像无处不在的降压稳压器一样易用。人们在设计中一定要考虑这些拓扑结构。

参考文献

1. “Cuk converter.”
2. Middle brook,RD,and Slobodan Cuk,“Ageneral unified approach tomodelling switching converter Power　stages,”International Journal of Electronics , Volume42 , Issue6 , June1977 , pg521.