升-降压型DC-DC的工作原理和拓扑结构

DC-DC----升-降型的工作原理

引言：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。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。

(资料图)

1.双开关型升-降压

升-降压型一般有两种拓扑：双开关型(图5-1)和四开关型(图5-2)，从双开关型拓扑结构可以看到，其和反相型DC-DC结构一样。这主要涉及到理解方式：当不关注反相这个属性时(负电压)，取Vout绝对值：

当D=0.5时，Vout=Vin;当D<0.5时，Vout0.5时，Vout>Vin，这样既可以实现升压也可以实现降压。在这种拓扑中，输入电流和输出电流都已被执行“斩波”，也就是说这些电流之间是不连续的，而且转换时间非常短(电容补充电流)。相关波形回看DC-DC-4：反相型的工作原理，相比普通升压转换器，生成的输出电压中所含的电压尖峰可能会更多。对于这些问题，可以通过适当大小的输出电容器或后置稳压滤波器来解决。

图5-1：双开关型升-降压拓扑

开关管导通，S2截止，电感器储能，电流回路为：输入VIN--->S1--->电感器L

开关管关断，S2导通，电感器释能，电流回路为：电感器L--->电容Cout--->负载RL--->S2

2.四开关型升-降压

四开关型就是纯粹升压和降压型的缝合体，当S2保持关闭不导通时，就变为降压拓扑(DC-DC-2：降压型的工作原理)，此时S1为上管;当S1保持打开导通时，就变为升压拓扑(DC-DC-3：升压型的工作原理)，此时S2变为下管。(肖特基二极管做续流元件已经属于比较落后的技术，后面的模型以及讲解均以MOS来作续流元件，即同步模式)

图5-2：四开关型升-降压拓扑

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，处理这些情况有两种方式：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。交替方式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，但与同时有效方式相比，因为减少了开关损耗，转换器将更加有效。

根据输入电压和设置输出的电阻值，器件可以在降压模式、降压-升压模式和升压模式之间平稳转换。当输入电压大于输出电压时，工作在降压模式，当输入电压小于输出电压时工作在升压模式。当输入电压接近输出电压时，交替地以一周期降压和一周期升压模式操作。开关频率一般由外部电阻器设置。为了减少高功率条件下的开关功率损耗，建议将开关频率设置在500kHz以下。如果系统需要高于500kHz的较高开关频率，建议设置较低的开关电流限制，以获得更好的热性能。

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(双开关型)，同步整流功率可达400W(四开关型)。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。另外需要为升压级设计降压-升压转换器的补偿网络，因为RHPZ(右半平面零点问题)会限制稳压器带宽。

图5-3：切换成降压模式工作图

图5-3为切换成降压模式的工作状态，在降压工作期间，S3保持打开，S4保持关闭。S1和S2交替工作。

图5-4：切换成升压模式工作图

图5-4为切换成升压模式的工作状态，在升压工作期间，S1保持打开，S2保持关闭。S3和S4交替工作。

3.不同状态下的工作波形

以下Vout为输出电压，SW1和SW2是电感两端的节点(SW1为图5-4S1和S2的连结点，SW2为S3和S4的连结点)，IL为流经电感的电流。

图5-5：VIN=12V，Vout=5V，Iout=5A，工作在FPWM模式

图5-5展示了在降压重载模式下，器件以FPWM(快速PWM)输出电压调节模式工作。SW2驱动信号拉平，表明器件进入降压拓扑。

图5-6：VIN=12V，Vout=5V，Iout=0A，工作在PFM模式

图5-6展示了在降压轻载模式下，器件切换到PFM输出电压调节模式工作，可以看到降压和升压级同时有效，Vout波形更宽，噪声变大。

图5-7：VIN=12V，Vout=12V，Iout=3A，工作在FPWM模式

图5-7展示了在等压重载模式下，器件以FPWM(快速PWM)输出电压调节模式工作。其中SW1和SW2交替工作，即交替地以一周期降压和一周期升压模式操作。

图5-8：VIN=12V，Vout=12V，Iout=0A，工作在PFM模式

图5-8展示了在等压轻载模式下，器件以PFM输出电压调节模式工作。其中降压和升压级同时有效。

图5-9：VIN=12V，Vout=20V，Iout=2A，工作在FPWM模式

图5-9展示了在升压重载模式下，器件以FPWM(快速PWM)输出电压调节模式工作。其中S1驱动信号拉平，表明器件进入升压拓扑。

图5-10：VIN=12V，Vout=20V，Iout=0A，工作在PFM模式

图5-10展示了在升压轻载模式下，器件以PFM输出电压调节模式工作。其中降压和升压级同时有效。

图5-11：VIN=9V~20V(波动间隔200us)，Vout=12V，Iout=3A的线路瞬态波形，FPWM

图5-11展示了VIN在输入高低切换之间，模式转变，电流回路的急剧变化，造成了输出振铃和跌落(正常现象但需要满足标准)。另外Vout和IL的前后波形宽度对比，也说明了升压与降压之间的特点。

图5-12：VIN=12V，Vout=5V，Iout=2.5A~5A(波动间隔20us)的负载瞬态波形，FPWM

图5-12展示了降压工作时，负载变化使电感存在瞬间逆变，影响了Vout(正常现象，但需要满足标准)。