降壓轉換器

圖1是非同步降壓轉換器的原理圖。降壓轉換器將其輸入電壓降低為較低的輸出電壓。當開關Q1導通時，能量轉移到輸出端。

圖1：非同步降壓轉換器原理圖

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公式1計算占空比：

公式2計算最大金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）應力：

公式3給出了最大二極管應力：

其中Vin是輸入電壓，Vout是輸出電壓，Vf是二極管正向電壓。

與線性穩壓器或低壓差穩壓器（LDO）相比，輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大，降壓轉換器的效率就越高。

盡管降壓轉換器在輸入端具有脈沖電流，但由于的電感 - 電容（LC）濾波器位于轉換器的輸出端，輸出電流是連續的。結果，與輸出端的紋波相比，反射到輸入端的電壓紋波將會更大。

對于占空比小且輸出電流大于3A的降壓轉換器，建議使用同步整流器。如果您的電源需要大于30A的輸出電流，建議使用多相或交錯功率級，因為這樣可以最大限度地減少組件的應力，在多個功率級之間分散產生的熱量，并減少轉換器輸入端的反射紋波。

使用N-FET時會造成占空比受限，因為自舉電容需要在每個開關循環進行再充電。在這種情況下，最大占空比在95-99％的范圍內。

降壓轉換器通常具有良好的動態特性，因為它們為正向拓撲結構。可實現的帶寬取決于誤差放大器的質量和所選擇的開關頻率。

圖2至圖7顯示了非同步降壓轉換器中FET、二極管和電感器在連續導通模式（CCM）下的電壓和電流波形。

升壓轉換器

升壓轉換器將其輸入電壓升高為更大的輸出電壓。當開關Q1不導通時，能量轉移到輸出端。圖8是非同步升壓轉換器的原理圖。

圖8：非同步升壓轉換器原理圖

公式4計算占空比：

公式5計算最大MOSFET應力：

公式6給出了最大二極管應力：

其中Vin是輸入電壓，Vout是輸出電壓，Vf是二極管正向電壓。

使用升壓轉換器，可以看到脈沖輸出電流，因為LC濾波器位于輸入端。因此，輸入電流是連續的，輸出電壓紋波大于輸入電壓紋波。

在設計升壓轉換器時，重要的是要知道，即使轉換器不在進行切換，也會有從輸入到輸出的永久連接。必須采取預防措施，以防輸出端可能發生的短路事件。

對于大于4A的輸出電流，應使用同步整流器替換二極管。如果電源需要提供大于10A的輸出電流，強烈建議采用多相或交錯功率級方式。

當在CCM模式下工作時，升壓轉換器的動態特性由于其傳遞函數的右半平面零點（RHPZ）而受到限制。由于RHPZ無法補償，所以可實現的帶寬通常將小于RHPZ頻率的五分之一到十分之一。請參見公式7：

其中Vout是輸出電壓，D是占空比，Iout是輸出電流，L1是升壓轉換器的電感。

圖9至圖14顯示了非同步升壓轉換器中FET、二極管和電感器在CCM模式下的電壓和電流波形。

降壓-升壓轉換器

降壓-升壓轉換器是降壓和升壓功率級的組合，共享相同的電感器。參見圖15。

圖15：雙開關降壓-升壓轉換器原理圖

降壓-升壓拓撲結構很實用，因為輸入電壓可以比輸出電壓更小、更大或相同，而需要輸出功率大于50W。

對于小于50W的輸出功率，單端初級電感轉換器（SEPIC）是一種更具成本效益的選擇，因為它使用較少的組件。

當輸入電壓大于輸出電壓時，降壓-升壓轉換器以降壓模式工作；輸入電壓小于輸出電壓時，在升壓模式下工作。當轉換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內的傳輸區域中工作時，處理這些情況有兩個概念：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關循環在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關頻率的一半運行。第二個概念可以在輸出端引起次諧波噪聲，而與常規降壓或升壓工作相比，輸出電壓精度可能不那么精確，但與第一個概念相比，轉換器將更加有效。

降壓-升壓拓撲結構在輸入和輸出端都有脈沖電流，因為任一方向都沒有LC濾波器。

對于降壓-升壓轉換器，可以分別使用降壓和升壓功率級計算。

編輯：黃飛

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