非隔離式開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之降壓轉(zhuǎn)換器詳解

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，首先要回答的問題是「是否需要電流隔離?」使用電流隔離可以使電路更安全，抗干擾能力較強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)升降壓轉(zhuǎn)換，及較易實(shí)現(xiàn)多路輸出和很寬的輸入電壓范圍。兩種最常見隔離電源的拓?fù)?/a>形式是「反激」和「正向」。但是為了獲得更高的功率輸出，可以使用其他隔離拓?fù)淙纭竿仆臁?、「半橋」和「全橋」。?shí)際上，如果不需要電流隔離，工程師會(huì)盡量使用非隔離電源，因?yàn)楦綦x的拓?fù)湫问娇偸切枰儔浩骰蝾~外的線路，而且這種設(shè)備往往會(huì)增加成本和體積較大，通常很難滿足定制電源的需求。

較常見的非隔離拓?fù)?

降壓轉(zhuǎn)換器 (Buck)

最常見非隔離式開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是降壓轉(zhuǎn)換器。它將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為低于輸入電壓的輸出電壓。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)開關(guān)、一個(gè)電感器和兩個(gè)電容器，如圖 1 所示。高側(cè)開關(guān)從輸入端產(chǎn)生脈沖電流并產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，該電壓在輸入電壓和地之間來回震蕩。之后，使用LC 濾波器產(chǎn)生直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開關(guān)PWM信號(hào)的占空比，產(chǎn)生不同電平的直流輸出電壓。這種 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器非常省電，設(shè)計(jì)亦相對(duì)簡(jiǎn)單，并且需要的元器件很少。

圖 1. 降壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖

設(shè)計(jì)低噪聲系統(tǒng)時(shí)要留意，降壓轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)產(chǎn)生脈沖電流，而輸出側(cè)有來自電感器的連續(xù)電流。這就是降壓穩(wěn)壓器在輸入端噪聲很大而在輸出端噪聲不大的原因。升壓轉(zhuǎn)換器 (Boost)除了降壓外，另一種常見拓?fù)涫巧龎?。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由五個(gè)基本功率元件組成，與降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)溆悬c(diǎn)不同，如圖 2所示。

圖 2. 升壓轉(zhuǎn)換器的概覽圖

選擇升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要留意數(shù)據(jù)表上較普遍列出最大額定開關(guān)電流而不是最大輸出電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中，最大開關(guān)電流與可實(shí)現(xiàn)的最大輸出電流直接相關(guān)，但與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓比無關(guān)。在升壓穩(wěn)壓器中，電壓比是根據(jù)固定的最大開關(guān)電流而直接影響可能的最大輸出電流。所以在選擇合適的升壓穩(wěn)壓器時(shí)，工程師不僅需要了解所需的輸出電流，還需要了解系統(tǒng)需要的輸入和輸出電壓。升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端噪聲非常低，因?yàn)榕c輸入端連接的電感可防止電流快速變化。然而，輸出端噪聲較大，因?yàn)長(zhǎng)C濾波器位于輸入端，我們會(huì)看到脈沖電流流向外部開關(guān)，造成輸出紋波。因此與降壓拓?fù)湎啾?，輸出紋波更受關(guān)注。反相降壓 - 升壓穩(wěn)壓器 (Inverting)第三種常見拓?fù)涫欠聪嘟祲?升壓轉(zhuǎn)換器，由這五個(gè)元件組成。該名稱源于該轉(zhuǎn)換器采用正輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓的事實(shí)。除此之外，輸入電壓可能大于或少于反相輸出電壓的絕對(duì)值。例如，輸入端的 5V 或 24V 可能會(huì)產(chǎn)生 -12V輸出電壓。這是可行而無需進(jìn)行任何特殊的電路修改，如下圖 3所示。

圖 3. 反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器 的概覽圖

在反相降壓-升壓拓?fù)渲?，電感從開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到地。轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端都看到脈沖電流，輸出電流是不連續(xù)的，使反相降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓往往噪聲較大，所以在低噪聲應(yīng)用中，可以通過增加額外的輸入和輸出濾波來補(bǔ)償。

反相降壓-升壓拓?fù)湓陔娫丛O(shè)計(jì)中有一個(gè)好處，就是任何降壓穩(wěn)壓器均可應(yīng)用此拓?fù)洹Ｈ?ADI 的 ADP2441 或 ADP2442 ，為了將降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電感和輸出電容應(yīng)以與降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的方式連接，如圖4所示。

圖 4. ADP2441/ADP2442 實(shí)現(xiàn)的反相降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

專業(yè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

除了以上三種常見非隔離開關(guān)電源拓?fù)渲?，還有更多的拓?fù)淙鏢EPIC、Zeta、?uk 和 4 開關(guān)降壓-升壓。相比以上三種開關(guān)電源拓?fù)涠@些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都需要額外置多一些有電源組件，會(huì)增加產(chǎn)品成本，功率轉(zhuǎn)換效率亦會(huì)降低。一般而言，在電路中添加額外元器件會(huì)增加損耗。以下簡(jiǎn)單列出這四款不同拓?fù)涞囊恍┳钪匾δ?。SEPIC單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)允許輸出電壓大于或小于輸入電壓的電壓轉(zhuǎn)換，輸出電壓由主控開關(guān)(三極管或MOS管)的占空比控制。升壓穩(wěn)壓器升壓穩(wěn)壓器 IC 可用于設(shè)計(jì) SEPIC 電源電路。要留意，這種拓?fù)湓陔娐分行枰矶囝~外元件(電感和電容)，如圖 7所示.ZetaZeta轉(zhuǎn)換器與SEPIC轉(zhuǎn)換器類似，如 LT8471 Zeta 和 SEPIC 拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖 (圖 5) 所示，都需要兩個(gè)電感(L1A和、兩L1B)、兩個(gè)開關(guān)(Q1 和 D1 )和一個(gè)電容器(CF)。Zeta轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生正或負(fù)輸出電壓，此外，它沒有右半平面零 (RHPZ) 問題存在，從而簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)回路。右半平面零 (RHPZ)含有右半平面零點(diǎn)(RHPZ)的開關(guān)DC-DC變換器發(fā)生占空比突變時(shí)，暫態(tài)過程會(huì)出現(xiàn)負(fù)調(diào)現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)性能變差，負(fù)調(diào)持續(xù)時(shí)間段系統(tǒng)易形成正反饋而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，傳統(tǒng)的頻域法無法直接進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，因此對(duì)其進(jìn)行控制較最小相位系統(tǒng)困難的多。

圖 5. Zeta 和 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

?uk

?uk轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。它使用兩個(gè)電感器，一個(gè)在輸入側(cè)，一個(gè)在輸出側(cè)，因此輸入和輸出側(cè)的噪聲非常低，可是，支持這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的器件并不多，因?yàn)檎{(diào)節(jié)環(huán)路需要一個(gè)負(fù)電壓反饋引腳。如 ADI 的 LT8331，它需要在輸入和輸出之間使用兩個(gè)電感器和一個(gè)耦合電容器 (C5)。耦合或阻塞電容器從電路的輸入側(cè)接收能量并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵鰝?cè)。在穩(wěn)態(tài)條件下(即上電后)，該電容器兩端的電壓是恒定的，大約等于 VIN，如圖6所示。

圖 6. LT8331 實(shí)現(xiàn)的 ?uk 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

四開關(guān)降壓 - 升壓這種類型的轉(zhuǎn)換器近年來變得非常流行。四開關(guān)降壓-升壓從正輸入電壓中提供正輸出電壓，該 輸入電壓可能高于或低于調(diào)整后的輸出電壓。這類型的轉(zhuǎn)換器能夠提供更高的電源轉(zhuǎn)換效率并且只需要一個(gè)電感器，所以該轉(zhuǎn)換器可以取代了 SEPIC 的設(shè)計(jì)。如 ADI 的 LT8705 ，它是一款同步四開關(guān)降壓-升壓控制器，運(yùn)用輸入和輸出側(cè)各兩個(gè)開關(guān)，使用穩(wěn)健的同步開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以高效率為恒壓或恒流應(yīng)用提供高功率輸出。如圖7所示。

圖 7. LT8705 實(shí)現(xiàn)的四開關(guān)降壓 - 升壓拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)