降壓-升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是電源設(shè)計(jì)人員工具箱中最有價(jià)值的工具之一，用于處理各種電源轉(zhuǎn)換方案。在這些情況下，由于非理想或多輸入電源、瞬態(tài)干擾或充電和放電存儲(chǔ)元件，輸入電壓可能會(huì)發(fā)生很大變化。單電感、非反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可無縫降壓(降壓)或升壓(升壓)輸入電壓并調(diào)節(jié)輸出電壓，無論輸入高于、等于還是低于輸出。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的三路靈活性可以替代兩個(gè) IC(一個(gè)單獨(dú)的降壓轉(zhuǎn)換器或一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器加一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器)，從而節(jié)省印刷電路板 (PCB) 上的空間/占地面積并簡(jiǎn)化材料清單(物料清單)。

這些轉(zhuǎn)換器極大地延長(zhǎng)了便攜式系統(tǒng)的電池壽命，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡{(diào)節(jié)輸出的同時(shí)充分利用了電池的更多有用輸入電壓范圍。在多個(gè)潛在電源的情況下，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可用于專門的降壓或升壓模式，具體取決于電源。此外，在放電存儲(chǔ)元件具有跨越所需固定輸出的放電電壓曲線的備用電源應(yīng)用中，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將執(zhí)行兩種操作模式。

應(yīng)用條件因細(xì)分市場(chǎng)而異

除消費(fèi)產(chǎn)品外，輸入和輸出電壓范圍可能因應(yīng)用而異。例如，在汽車環(huán)境中，12V 汽車電池是所有電子產(chǎn)品的主要電源。但是，在冷啟動(dòng)期間，標(biāo)稱 12 V 可能會(huì)下降至低至 3 V，或在負(fù)載突降情況下會(huì)飆升至接近 40 V(受 transorb 限制)。

在工業(yè)應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)電源總線電壓為 24 V 或 12 V;此外，通常會(huì)遇到持續(xù)時(shí)間從幾微秒到數(shù)百毫秒的高壓電源尖峰。這些系統(tǒng)中的電子設(shè)備不僅必須經(jīng)受住瞬態(tài)電壓尖峰，而且在許多情況下，還必須在整個(gè)事件期間可靠運(yùn)行。即使在嚴(yán)格的輸入電壓條件下(就像汽車環(huán)境一樣)，工業(yè)和軍事/航空航天系統(tǒng)也需要寬泛的工作溫度范圍和穩(wěn)定的電力輸送到必要的下游電子設(shè)備。

此外，航空電子設(shè)備、軍事和航空航天環(huán)境具有標(biāo)準(zhǔn)電源軌，但也可以通過各種電池配置和太陽能電池板運(yùn)行，因此需要能夠處理非常寬輸入電壓范圍的電源。一些應(yīng)用程序需要接受許多不同的輸入源，以便任何能源都會(huì)自動(dòng)為系統(tǒng)供電。例如，許多軍事應(yīng)用必須接受不同類型的電池、適配器甚至太陽能電池板來提供電力。

由于這些系統(tǒng)需要多個(gè)經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的電源軌，因此低壓軌通常由降壓穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 供電。但是，對(duì)于為傳感器和各種模擬功能(運(yùn)算放大器、電機(jī)或收發(fā)器)供電的穩(wěn)定中高電平 12V 和 24V 電源軌存在要求。其中許多都需要降壓和升壓轉(zhuǎn)換，具體取決于電源總線電壓電平或系統(tǒng)配置。升降壓轉(zhuǎn)換器(在某些情況下，具有太陽能功能)提供了調(diào)節(jié)各種輸入源輸出的靈活性，最大限度地減少了設(shè)計(jì)中的電源轉(zhuǎn)換器數(shù)量，從而簡(jiǎn)化了 BOM。

電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

過去，需要降壓和升壓模式操作的設(shè)計(jì)已經(jīng)通過使用多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器來解決，其典型問題是 PCB 面積、尺寸、更高的成本、更大的復(fù)雜性、更低的可靠性、更高的靜態(tài)電流(I Q )，以及較低的轉(zhuǎn)換效率。單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 等替代拓?fù)潆m然比多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單，但其效率比同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器低約 10%，并且需要兩個(gè)電感器和一個(gè)大電流耦合電容器，從而增加復(fù)雜性和潛在噪音以及電池壽命縮短。

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的升壓模式操作存在一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)，尤其是在升壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉或電源初始應(yīng)用期間。傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器具有從 V IN 到 V OUT的電流 通過電感器和升壓二極管的直接路徑。當(dāng)電源施加到 V IN時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器的這一方面可能會(huì)導(dǎo)致很大且可能具有破壞性的浪涌電流 ，從而使 V OUT保持部分供電， 當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時(shí)， 二極管壓降低于 V IN 。

然而，ADI 公司的許多降壓-升壓轉(zhuǎn)換器都提供了其四開關(guān)架構(gòu)固有的輸出斷開功能。因此，在最初向 V IN供電時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流保持在控制之下，在 V OUT上電時(shí)逐漸從零上升到電流限制水平 。關(guān)閉時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將 V OUT 與 V IN完全斷開 ，以便 V OUT 可以安全地放電至零。

較新但成熟的磷酸鐵鋰電池化學(xué)成分可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，但它們的電壓放電曲線延長(zhǎng)，在電池電壓低于 3 V 時(shí)可提供大量能量。這一特性會(huì)影響相關(guān)的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，因此需要同步升降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生 3 V 或以上的輸出，這在包括工業(yè)在內(nèi)的許多系統(tǒng)中很常見。

一些使用超級(jí)電容器的備用應(yīng)用更適合使用可運(yùn)行至極低輸入電壓的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。例如，一組電容器(超級(jí)電容器、電解電容器等)被充電到某個(gè)電壓水平。如果電源出現(xiàn)故障，下游降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以保持輸出調(diào)節(jié)，因?yàn)樗暮锰幨窃试S使用電容器中的所有能量。這可以減少應(yīng)用中所需的電容數(shù)量(減少電容和電路板面積)。

然而，更現(xiàn)代的轉(zhuǎn)換器仍需要 2.x V 的輸入電壓才能運(yùn)行。因此，如果用戶想要從低于 2.x V 的輸入中獲取電力，則需要使用一些技巧(反饋等)。許多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器無法做到這一點(diǎn)。

解決其中許多問題的一些產(chǎn)品包括 ADI 公司的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。對(duì)于需要 40V 能力的輸入，LTC3115-1/-2 和 LTC3114-1 非常適合。對(duì)于高達(dá) 15V 的輸入電壓，可以使用 LTC3111、LTC3112 和超低靜態(tài)電流 LTC3129。近期的 LTC311x 系列產(chǎn)品將把輸入電壓能力擴(kuò)展到 18V，并在降壓模式下支持 5A 的輸出電流。

盡管如此，業(yè)界仍有一個(gè)尚未解決的空白——一種與 12V/24V 系統(tǒng)兼容的降壓-升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器還具有高達(dá) 600mA 的中等輸出電流、低電壓運(yùn)行啟動(dòng)后，超低靜態(tài)電流。

選擇降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的主要考慮因素

解決上述問題的降壓-升壓解決方案應(yīng)具有以下屬性：

在寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)工作

足夠的輸出電流能力

超低智商

低輸出噪聲/紋波

高效運(yùn)行

在升壓模式下工作時(shí)輸出斷開

所需的外部元件最少，易于設(shè)計(jì)

優(yōu)良的熱性能

滿足這些需求的一些示例包括 Analog Devices 的 LTC3130 和 LTC3130-1。這些 25V 輸入和輸出額定值的單片同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可在降壓模式下提供高達(dá) 600mA 的輸出電流，并提供極低的 1.2μA 空載靜態(tài)電流(見圖1)。每個(gè)器件都提供 2.4V 至 25V 的輸入電壓范圍和 1V 至 25V 的輸出范圍(LTC3130 是可調(diào)的;參見圖 2)，并提供一個(gè)輸入高于、低于或等于輸出。一旦啟動(dòng)，這些器件只有 0.6V 的典型輸入電壓要求。用戶可選擇的突發(fā)模式操作可將靜態(tài)電流降低至僅 1.2 μA，從而提高輕負(fù)載效率并延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

圖 1：LTC3130 典型應(yīng)用原理圖和特性。

圖 2： LTC3130 的V OUT反饋分壓器方程和原理圖。

LT3130 還提供 EXTV CC 功能。 如果 >3 V(范圍：3 V 至 25 V)，則設(shè)備的 EXTV CC為 IC 供電。

LTC3130/-1 的專有降壓-升壓拓?fù)湓谒泄ぷ髂Ｊ较绿峁┑驮肼暋o抖動(dòng)切換，非常適合對(duì)電源噪聲敏感的 RF 和精密模擬應(yīng)用。這些器件還包括可編程最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 功能，確保從光伏電池等非理想電源提供最大功率。

LTC3130-1 共享 LTC3130 的所有特性，但提供四個(gè)用戶可選擇的固定輸出電壓 — 1.8 V、3.3 V、5 V 和 12 V — 消除了可調(diào)輸出版本所需的電阻分壓器 (參見表 1 )。

表 1：LTC3130-1 的 V OUT 程序設(shè)置。

LTC3130/-1 具有足夠的電壓裕度來處理 1 個(gè)串聯(lián)至 6 個(gè)串聯(lián)鋰電池輸入系統(tǒng)和受大噪聲尖峰影響的標(biāo)稱 12V 系統(tǒng)以及為 24V 傳感器供電的能力。保證的最小 660mA 電感器電流限制提供升壓模式輸出電流能力，特別是對(duì)于必須在低輸入電壓下工作的 24V 傳感器，例如 3.3V 或 5V 電池。

LTC3130/-1 包括四個(gè)內(nèi)部低 RDS ON N 溝道 MOSFET，以提供高達(dá) 95% 的效率。轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)可以通過能夠提供低至 7.5 μW 的電源實(shí)現(xiàn)，這使得 LTC3130/3130-1 非常適合由弱電源供電的應(yīng)用，包括薄膜太陽能電池。或者，可以禁用突發(fā)模式操作，提供低噪聲連續(xù)開關(guān)。LTC3130/-1 的恒定 1.2MHz 開關(guān)頻率確保了低噪聲和高效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件的尺寸(見圖3)。內(nèi)置環(huán)路補(bǔ)償和軟啟動(dòng)可減少外部部件數(shù)量并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

圖 3：LTC3130/-1 的效率為 94%，適用于 14.4 V IN 至 12 V OUT ，電流為 200 mA。

24-V 傳感器應(yīng)用

圖 4 突出顯示了電池供電的 24-V 傳感器電源。傳感器的電源由高可靠性、長(zhǎng)壽命的鋰亞硫酰氯原電池提供。為了最大限度地延長(zhǎng)使用壽命，傳感器僅在短暫的時(shí)間間隔內(nèi)激活，激活之間的時(shí)間間隔很長(zhǎng)，在不活動(dòng)時(shí)恢復(fù)到接近零的功率狀態(tài)。

圖 4：電池供電的 24V 轉(zhuǎn)換器，具有 200mA ILIM 以限制電池電壓下降。

使用 LTC3130 的 200mA 輸入電流限制選項(xiàng) (ILIM 引腳 = GND) 以最小化傳感器被激活時(shí)從高輸出阻抗鋰亞硫酰氯電池獲取的峰值電流，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)了電池。LTC3130 通過在長(zhǎng)時(shí)間空閑期間將其 RUN 引腳驅(qū)動(dòng)為低電平來關(guān)斷，僅從 24V 輸出汲取 1μA 電流。

傳感器還與 24V 電源軌斷開連接或關(guān)閉，以最大限度地減少長(zhǎng)時(shí)間空閑期間 24V 輸出電容器的放電。以這種方式保持 24V 輸出，傳感器可以快速上電，進(jìn)行所需的測(cè)量，然后再次斷電，而無需等待 24V 電源軌充電。在傳感器正常運(yùn)行期間，該 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 83% 的效率。

結(jié)論

單電感器、同相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一種極其靈活且有價(jià)值的電源組件。MPPC 和 EXTV CC等靈活性和功能 支持一系列獨(dú)特的供電方案，非常適合解決各種應(yīng)用中的問題。

? ? 審核編輯：湯梓紅