降壓轉(zhuǎn)換器與升壓轉(zhuǎn)換器的性能比較
發(fā)布日期:2022-05-27
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作者： Reno Rossetti
降壓（降壓）和升壓（升壓）轉(zhuǎn)換器是 DC-DC 非隔離式電源轉(zhuǎn)換行業(yè)的主要產(chǎn)品。它們服務(wù)于非常不同的應(yīng)用和目的，因此，很少會(huì)想到比較，可能看起來像是比較蘋果和橙子。但是，精度、效率、成本、尺寸和噪聲等性能參數(shù)是一個(gè)共同點(diǎn)，實(shí)際上，這兩種配置可以進(jìn)行比較。對于這個(gè)比較，我們將使用 Simplis ™模擬。為簡單起見，我們將討論穩(wěn)態(tài)下的理想操作，此時(shí)閉環(huán)校正可以忽略不計(jì)，并且器件可以充分地表示為由所選占空比（例如 50%）驅(qū)動(dòng)的簡化動(dòng)力系統(tǒng)。
在圖 1中，降壓轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)由一個(gè) 12V 峰峰值方波發(fā)生器表示，該發(fā)生器具有 50% 占空比和 330kHz 頻率。LC 濾波器由一個(gè) 15µH 電感器和一個(gè)為 1Ω 負(fù)載供電的 30µF 電容器組成。
圖 1. 簡化的降壓轉(zhuǎn)換器電路
電路用Simplis 仿真，主要波形如圖2所示。藍(lán)色波形是以零為中心的 +/-300mA 峰峰值的三角電容器電流。紅色波形是以 6V 為中心的輸出電壓，具有 +/-4mV 幅度的完美正弦電壓紋波。綠色波形是 6A 的電感電流，紋波為 +/-300mA。自然，電感器和電容器的紋波電流是相同的，因?yàn)樨?fù)載電流是恒定的。
圖 2. 降壓轉(zhuǎn)換器波形
在圖 3中，升壓轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)由經(jīng)典的 MOSFET-二極管-電感器組合表示。MOSFET 以 50% 的占空比進(jìn)行開關(guān)，輸入電壓源 V3 設(shè)置為產(chǎn)生 6V 的輸出電壓。輸出電壓、電感器和電容器值與上述降壓轉(zhuǎn)換器的情況相同。在這兩種情況下，相同的 LC 無源器件將 6V 提供給 1Ω。
圖 3. 動(dòng)力總成升壓轉(zhuǎn)換器簡化
然而，這里整流二極管的存在顯著改變了電波形。在 MOSFET Q1 的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)（周期的 50%），流向輸出的電流被中斷，負(fù)載電流必須完全由電容器提供。這與降壓轉(zhuǎn)換器的情況根本不同，在降壓轉(zhuǎn)換器的情況下，電容器必須僅補(bǔ)償紋波電流。圖 4中的藍(lán)色曲線顯示電容器電流現(xiàn)在為 +/-6A（相對于 +/-300mA），此外由于二極管偏置反轉(zhuǎn)從 +1V 下降到 -6V，還產(chǎn)生了很大的負(fù)電流尖峰。由于巨大的電流紋波，電壓紋波（紅色曲線）為 +/-150mV（相對于 +/-4mV）。最后，電感器電流以 12A 為中心，是降壓轉(zhuǎn)換器情況的兩倍，以便在 MOSFET 關(guān)斷期間為負(fù)載提供 6A 電流并為電容器提供另外 6A 電流。
圖 4. 升壓轉(zhuǎn)換器波形
在相同的負(fù)載下，與降壓模式相比，相同的 LC 濾波器在升壓模式下必須更加努力地工作。在升壓情況下，電容器切換 6A 而不是 300mA 峰值，電感器承載 12A 而不是平均 6A。這意味著為了在實(shí)際應(yīng)用中獲得良好的性能，升壓轉(zhuǎn)換器外殼中的無源器件必須比降壓轉(zhuǎn)換器更大，從而導(dǎo)致更高的 BOM 成本和 PCB 尺寸。較高的電壓紋波意味著較低的輸出電壓精度，因?yàn)榭蛻籼峁┑木确秶浑妷杭y波所消耗。較低的精度最終意味著較低的效率，因?yàn)楸仨殞⒎€(wěn)壓器輸出設(shè)置得更高，以確保負(fù)載正常運(yùn)行所需的最小電壓。由于電容器 ESR 和電感器 ESL，更高的電容器電流紋波和更高的電感器電流意味著更高的歐姆損耗和更低的效率。最后，電容器中的開關(guān) 6A 電流會(huì)導(dǎo)致更差的 EMI 性能。
總之，降壓轉(zhuǎn)換器與升壓轉(zhuǎn)換器的性能比較顯示了降壓轉(zhuǎn)換器在 BOM 成本、PCB 尺寸、效率、精度和EMI 方面的固有優(yōu)勢。另一方面，如果您的電壓需要升壓，請告別降壓并歡迎使用升壓轉(zhuǎn)換器，這將成為鎮(zhèn)上唯一的游戲。
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