實現(xiàn)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計的方案

DC/DC 轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的常識是，降壓轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器集成電路 (IC)，例如 LM5017 系列，可以從正 V IN產(chǎn)生負(fù) V OUT。乍一看，使用降壓穩(wěn)壓器 IC 的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖看起來與降壓轉(zhuǎn)換器非常相似（圖 1a 和 1c）。但是，這兩個電路在電壓和電流電平、開關(guān)電流和布局方面存在重要差異。

我討論了 V IN范圍、V OUT范圍和可用輸出電流 I OUT max之間的差異。由反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流流動路徑的差異引起的布局差異（盡管很關(guān)鍵）尚不清楚。

圖 1 說明了降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中開關(guān)電流的差異。在降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1a 和 1b）中，輸入回路——包括輸入電容器 C IN、高側(cè)開關(guān) QH 和同步整流器 QL，承載高 di/dt 開關(guān)電流。包括同步整流器QL、電感器L1和輸出電容器C OUT的輸出回路具有相對連續(xù)的電流。因此，雖然優(yōu)化輸入電流環(huán)路面積至關(guān)重要，但優(yōu)化輸出電流環(huán)路面積并不重要。

圖 1：降壓轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)電流 (a, b)；和一個反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器 (c, d)

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的輸入和輸出電流環(huán)路包含與降壓轉(zhuǎn)換器中相同的元件（圖 1c 和 1d）。輸入回路具有輸入電容器 C IN、控制 FET QH 和同步整流器 QL。輸出電流回路由同步整流器QL、濾波電感L1和輸出電容器C OUT 組成。然而，在反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入和輸出電流環(huán)路都承載高 di/dt 開關(guān)電流，因為濾波電感器在開關(guān)子間隔之間從 C IN切換到 C OUT。

由于降壓和反相原理圖的相似性，開關(guān)電流路徑的差異經(jīng)常被忽視，許多反相降壓-升壓設(shè)計和布局就像降壓轉(zhuǎn)換器一樣完成，僅優(yōu)化了輸入電流回路對于一個小的循環(huán)區(qū)域。降壓到反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換通常僅被視為 V OUT和接地引腳的重新連接。但是這種方法沒有考慮到不同的電流在一個簡單的降壓和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（使用相同的穩(wěn)壓器 IC）中流動會導(dǎo)致這些問題：

· 圖 1c 和 1d 中所示的開關(guān)電流路徑可能具有顯著的寄生電感，從而導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點上出現(xiàn)更高的尖峰，從而產(chǎn)生以下不利后果：

· 開關(guān)電流流經(jīng)非優(yōu)化電流回路會導(dǎo)致更高的電磁干擾 (EMI) 和噪聲。

· 在反相降壓-升壓配置中，MOSFET 在 |V IN + V OUT |頂部看到更高的尖峰電壓。電壓。

· 對于相同的電感電流，通過輸出電容器的開關(guān)電流具有比降壓轉(zhuǎn)換器更高的均方根 (RMS)（發(fā)熱）含量。輸出電容器中的不連續(xù)電流也會導(dǎo)致更高的輸出紋波。因此，設(shè)計人員在選擇輸出電容器時必須牢記這些較高的紋波電流，以滿足 V OUT紋波和 I RMS電流額定值。圖 2 比較了降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的輸出電容器紋波電流。 

圖 2：降壓轉(zhuǎn)換器 (a, b) 的輸出濾波電容器中的紋波電流很小，因為電感器始終連接到輸出節(jié)點。由于流經(jīng)輸出電容器的電流的不連續(xù)性，反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器 (c, d) 的輸出濾波電容器中的紋波電流要高得多。

圖 3 顯示了如何優(yōu)化反相降壓-升壓功率級以實現(xiàn)更低的 di/dt 輸入和輸出環(huán)路。圖 4 顯示了使用 LM5017（一款 100V 同步降壓穩(wěn)壓器）的反相降壓-升壓功率級布局示例。 LM5017是一款100 V 600 mA恒定導(dǎo)通時間（COT）同步降壓穩(wěn)壓器，集成了高側(cè)和低側(cè)MOSFET，可用于需要不同輸入和輸出軌的多種應(yīng)用。由于它可以高效工作調(diào)節(jié)更高的電壓，非常適合48 V電信和42 V汽車電源總線軌。

圖 3：優(yōu)化功率級組件以最小化開關(guān)電流環(huán)路面積 (a) 識別電流環(huán)路 (b) 最小化電流環(huán)路

圖 4：基于 LM5017 同步降壓穩(wěn)壓器的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的示例布局

結(jié)論

設(shè)計人員通常使用降壓穩(wěn)壓器來創(chuàng)建反相降壓-升壓穩(wěn)壓器。但是降壓電路和反相降壓-升壓電路之間的開關(guān)電流流動存在重大差異。設(shè)計人員尤其應(yīng)注意輸出濾波電容的選擇和開關(guān)電流環(huán)路布局，以實現(xiàn)最佳的可靠性和噪聲性能。