开关电源降压-升压电路如何工作

　　我们都听说过很多关于降压和升压电路的知识，并且知道这些电路基本上用于 SMPS 设计，用于在输入端升压或降压给定电压。这项技术的有趣之处在于，它允许上述功能产生可忽略不计的热量，从而实现极其高效的转换。

　　什么是降压-升压，它是如何工作的

　　让我们在不涉及太多技术细节的情况下学习第一部分中的概念，以便即使对于新手来说也更容易理解什么是降压升压概念。

　　在名为降压、升压和降压-升压的三种基本拓扑中，第三种更为流行，因为它允许通过单一配置使用两种功能（降压升压），只需改变输入脉冲即可。

　　在降压-升压拓扑中，我们主要有一个电子开关元件，它可以是晶体管或 mosfet 的形式。该组件通过来自集成振荡器电路的脉动信号进行切换。

　　除上述开关元件外，该电路以电感、二极管和电容为主要成分。

　　在导通状态期间，输入电流通过 MOSFET 获得一条畅通的路径，并立即尝试通过电感器，因为二极管处于反向偏置状态。

　　电感器由于其固有特性试图限制电流的突然施加，并在补偿响应中在其中存储一定量的电流。

　　现在，只要将 MOSFET 关断，它就会进入关断状态，从而阻止输入电流的任何通过。

　　再次，电感器无法应对电流从给定幅度到零的这种突然变化，并且为了对此进行补偿，它通过电路输出端的二极管反冲其存储的电流。

　　在此过程中，电流也存储在电容器中。

　　在 MOSFET 的下一个导通状态期间，循环如上所述重复，但是在电感器没有可用电流的情况下，电容器将存储的能量释放到输出中，这有助于将输出保持在优化的程度。

　　您可能想知道是什么因素决定了输出的 BUCK 或 BOOST 结果？这很简单，这取决于允许mosfet保持在ON状态或OFF状态多长时间。

　　随着MOSFET导通时间的增加，电路开始转变为升压转换器，而MOSFET关断时间超过其导通时间会导致电路表现得像降压转换器。

　　因此，可以通过优化的 PWM 电路对 mosfet 进行输入，以在同一电路上获得所需的转换。

　　从技术上探索 SMPS 电路中的降压/升压拓扑：

　　如上节所述，开关模式电源常用的三种基本拓扑是降压、升压和降压升压。

　　这些基本上是非隔离的，其中输入功率级与输出功率部分共享一个公共基础。当然，我们也可以找到孤立的版本，尽管非常罕见。

　　上述三种拓扑结构可以根据其独有的特性进行唯一区分。这些特性可以识别为稳态电压转换比、输入和输出电流的性质以及输出电压纹波的特性。

　　此外，占空比对输出电压执行的频率响应可被视为重要属性之一。

　　在上述三种拓扑结构中，降压-升压拓扑是最优选的一种，因为它允许输出工作电压低于输入电压（降压模式），也可以产生高于输入电压的电压（升压模式）。

　　然而，输出电压始终可以通过与输入相反的极性获得，这不会产生任何问题。

　　由于相关电源开关 (Q1) 的切换，施加到降压升压转换器的输入电流是脉动电流的形式。

　　这里电流在每个脉冲周期内从零切换到 l。对于输出也是如此，我们得到一个脉动电流，因为相关的二极管仅在一个方向上导电，导致开关周期内的 ON 和 OFF 脉动情况.

　　当二极管在开关周期中处于关断或反向偏置状态时，电容器负责提供补偿电流。

　　本文解释了降压-升压转换器在连续模式和非连续模式操作中的稳态功能，并提供了示例波形。

　　在介绍了 PWM 开关设计之后介绍了占空比到输出电压交换功能。

　　图 1 是添加了驱动电路块的降压-升压功率级的简化示意图。电源开关 Q1 是一个 n 沟道 MOSFET。输出二极管为CR1。

　　电感器 L 和电容器 C 构成有效的输出滤波。本文对电容 ESR RC（等效串联电阻）和电感直流电阻 RL 进行了分析。电阻器 R 对应于功率级输出所指示的负载。

　　在降压-升压功率级的正常功能过程中，Q1 不断地开启和关闭，开启和关闭时间由控制电路控制。

　　这种开关行为会在 Q1、CR1 和 L 的结点产生一串脉冲。

　　即使电感器 L 与输出电容器 C 相连，如果只有 CR1 导通，就可以建立一个成功的 L/C 输出滤波器。它清除连续的脉冲以产生直流输出电压。

　　降压-升压级稳态分析

　　功率级可以在连续或不连续的电感器电流设置中起作用。连续电感电流模式是通过在稳态过程中在开关序列上电感中的连续电流来识别的。

　　不连续电感电流模式由电感电流在开关周期的一部分内保持为零来识别。它从零开始，延伸到最大值，并在每个切换模式的过程中回到零。

　　之后更详细地提到了这两种不同的方法，并提出了电感值的模型建议，以维持选定的功能模式，因为额定负载的能力。由于功率级频率响应在两种不同的操作技术之间发生显着变化，因此转换器仅在其预测的运行环境中处于单一格式是相当有利的。

　　通过这种评估，采用了一个 n 沟道功率 MOSFET，并且正电压 VGS(ON) 由控制电路从栅极提供给 Q1 的源极端，以打开 FET。使用 n 沟道 FET 的好处是它的 RDS(on) 较低，但控制电路很棘手，因为需要暂停驱动。对于相同的封装尺寸，p 沟道 FET 具有更高的 RDS(on)，但通常可能不需要浮动驱动电路。

　　晶体管 Q1 和二极管 CR1 在虚线轮廓内示出，端子标记为 a、p 和 c。降压-升压功率级建模部分对此进行了详细讨论。

　　降压-升压稳态连续导通模式分析

　　以下是在连续导通方法中稳态运行的降压升压工作的描述。本部分的主要目标是推导连续导通模式降压-升压功率级的电压变换关系。

　　这将很重要，因为它表明了输出电压由占空比和输入电压确定的方式，或者相反，占空比如何根据输入电压和输出电压确定。

　　稳态意味着输入电压、输出电压、输出负载电流和占空比是恒定的，而不是变化的。大写字母通常提供给变量标签以表示稳态量级。在连续导通模式下，降压-升压转换器在每个开关周期采用几个状态。

　　ON 状态是每次 Q1 为 ON 且 CR1 为 OFF 时。关闭状态是每次 Q1 关闭且 CR1 开启时。一个简单的线性电路可以象征两种状态中的每一种，其中电路中的开关在每个状态的过程中被它们的匹配电路代替。图 2 显示了这两种情况的电路图。