降压-升压转换器的原理与选型

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降压-升压转换器的原理与选型

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关键词: 降压升压, buck boost, 降压升压转换器, 电路设计, 工作原理, 选型

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摘要

采用合适的降压-升压转换器，可以让电路设计变得简单。本文介绍降压-升压转换器的工作原理、工作模式，以及降压-升压转换器的选型要素，包括：输出电压范围和转换器输出类型、开关频率、软启动、静态电流、占空比等。

直流电源转换器 (DC-DC converter) 常见有三种基本技术：降压 (buck)、升压 (boost) ，以及降压-升压(buck-boost)。在一般电源应用上，降压转换器用于产生低直流输出电压，升压转换器用于产生高直流输出电压，降压-升压转换器的输出电压既可以用于产生小于输入的电压，也可以用于产生大于输入的电压。小编在本文介绍降压-升压转换器是如何工作的。

电路原理

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顾问思义，降压-升压转换器结合了降压、升压两种功能。降压-升压转换器的简单工作原理，参见图1，这是个高效的降压-升压转换器简单结构图。

图1，降压-升压转换器的简单结构图

这样的器件譬如ADI公司的ADP2503和ADP2504降压-升压转换器，它们内置四个开关、两个电容和一个电感。

图2，ADP2503/ADP2504结构框图

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在降压或升压模式下工作时，只要主动操作其中两个开关，就可以降低降压-升压转换器工作时产生损耗，提高效率。

降压模式

在降压模式下, 降压-升压转换器工作如下图，Vin大于Vout时，开关C打开，开关D闭合。

图3，典型的降压模式操作

升压模式

在升压模式下，Vin小于Vout 时，开关B打开，开关A闭合。这时，开关C和开关D的工作模式如下图表示。

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图4，典型的升压模式操作

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降压-升压模式

请留意，当Vin在Vout ±10%范围内，此时转换器会进入降压-升压模式。在降压-升压模式下，两种工作状态（降压和升压）会在一个开关周期内发生。此时须要特别注意降低损耗、优化效率，以及消除由于模式切换造成的不稳定性。这么做的目的标是要维持输出电压稳定，以及电感上的电流纹波降至最小，从而得到较好的瞬态性能。

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关键参数

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在Digi-Key官网上可以清楚查看不同降压-升压转换器的一些关键参数，方便用户筛选合适的降压-升压转换器。

图5：Digi-Key官网上的降压-升压转换器的参数选项

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在降压-升压转换器选型时，一些需要留意的关键参数包括：

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1   输出电压范围 (最大和最少的輸出电压) 和转换器输出类型

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降压-升压转换器可以支持固定或可调的输出电压，也有可编程类型。可编程类型降压-升压转换器，如下图中的LTC3129，可通过外部分路电阻使输出电压达到应用的需要。

图6，LTC3129可编程类型降压-升压转换器

2  开关频率

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低功耗降压-升压转换器通常在500kHz至3MHz之间工作。更高的开关频率允许使用更小的电感器并减少PCB上需要的空间，但每增加一倍的开关频率，效率会降低约2％。

3  软启动

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具有 “软启动”功能很重要，这使得输出电压以可控方式缓缓上升，从而避免启动时出现输出电压过冲现象。

4   静态电流 (Iq)

器件的Iq越低，则效率越高。然而，Iq可以针对许多条件进行规定，包括关断、负载、脉冲频率(PFM)工作模式或脉冲宽度(PWM)工作模式。因此，为了确定某个应用的最佳转换器，最好查看特定工作电压和负载电流下的实际工作效率。

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5   空占比 (D)

占空比 = 开关开通的时间/ 工作同周期。开通和关闭开关影响了电感能量的储存和释放，从而影响输出的电压。

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所以要计算降压模式的最小占空比和升压模式的最大占空比。这些占空比很重要，因为在这些占空比下，可以知道转换器工作范围的极限。占空比总是正数且小于1。

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其中，

Vin max = 最大输入电压

Vin min = 最小输入电压

Vout = 所需的输出电压

Dbuck = 降压模式的最小占空比

Dboost = 升压模式的最大占空比

η=以Vin、Vout 和 Iout 计算的估计效率

本文小结
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采用合适的降压-升压转换器，可以让电路设计变得简单。在挑选降压-升压转换器時候，一些关键参数需要留意，这些参数包括：

·      输出电压范围和转换器输出类型

·      开关频率

·      软启动

·      静态电流

·      占空比

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