將降壓－升壓轉(zhuǎn)換器用作電壓穩(wěn)壓器？
發(fā)布日期:2023-05-01
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大多數(shù)應(yīng)用或子電路都需要在一定的電壓容限范圍提供恒壓電源，以保證正常運(yùn)行。電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用（如無線傳感器和個(gè)人手持設(shè)備）需要在電池放電且電壓隨之下降時(shí)通過電壓轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生所需的輸出電壓。如果可用的電源軌不適合所需的輸入電壓，或者電壓變化超出所需的容差范圍，則由固定電源軌供電的應(yīng)用（如光學(xué)模塊、有線傳感器、有源電纜或加密狗）也可能需要電壓轉(zhuǎn)換。
本文探討了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器能否成為電壓轉(zhuǎn)換的理想解決方案以及是否可以成為用于任何類型DC/DC電壓轉(zhuǎn)換的通用工具。
何時(shí)使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
通常來說，如果一個(gè)電路或子電路的可用電源電壓低于所需電壓，則升壓轉(zhuǎn)換器可以有效地將直流電壓轉(zhuǎn)換為更高的電壓電平。如果可用的電源電壓高于所需電壓，則降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換。
而降壓-升壓轉(zhuǎn)換器適用于電源電壓范圍高于和低于所需輸出電壓的應(yīng)用。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器由一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器組成，圖1所示的框圖更清晰地反映出了它的結(jié)構(gòu)。
圖1：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器框圖
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將降壓轉(zhuǎn)換器（圖1中的綠色部分）與升壓轉(zhuǎn)換器（圖1中的橙色部分）合并在同一結(jié)構(gòu)中，從而可以有效地升高和降低輸出電壓。控制環(huán)路可以根據(jù)實(shí)際的輸入電壓和編程設(shè)定的輸出電壓來決定設(shè)備是否需要在降壓或升壓模式下運(yùn)行。
例如，假設(shè)要使一個(gè)典型電壓范圍為4.2V到2.8V的鋰離子電池提供3.3V的輸出電壓，如果使用降壓轉(zhuǎn)換器，那么電池的截止電壓必須大于3.3V，缺點(diǎn)則是無法有效利用電池中存儲(chǔ)的電能。而降壓-升壓轉(zhuǎn)換器有助于充分利用電池的所有電能，因?yàn)楫?dāng)輸入電壓等于或低于3.3V時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器還可以消耗存儲(chǔ)的電能，如圖2所示。
圖2：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以完全耗盡電池的電能
將降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用作電壓穩(wěn)壓器
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的第二個(gè)常見用途是用作電壓穩(wěn)壓器。如果電源軌有變化（如3.3V±10%變化），而負(fù)載需要更的調(diào)節(jié)電壓（如3.3V±5%容差）時(shí)，那么就需要一個(gè)可以穩(wěn)定電壓的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。如果元件對(duì)電源電壓敏感（例如光學(xué)模塊中的跨阻放大器）；如果其他DC/DC預(yù)調(diào)節(jié)器在工業(yè)應(yīng)用中調(diào)節(jié)不夠嚴(yán)密；或者如果電源路徑中的其他元件（如電熔絲、負(fù)載開關(guān)或長(zhǎng)電纜）根據(jù)電流增加電壓變化，則可能需要更嚴(yán)格地調(diào)節(jié)電壓。只用升壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器不能解決此問題。然而，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒉粩嘧兓妮斎腚妷赫{(diào)節(jié)到所需的更嚴(yán)格的限值。圖3所示為TPS63802對(duì)快速±0.5 V/10 s線路做出的瞬態(tài)響應(yīng)，帶有明顯小于±0.1V輸出電壓下沖/過沖。
圖3：TPS63802在VI = VO = 3.3V， ΔVI = ±0.5V時(shí)的線路瞬態(tài)響應(yīng)
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的其他應(yīng)用
還有其他的原因選擇降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，而不是單純地選擇降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器。其中一個(gè)原因是功率ORing。想象一下嬰兒監(jiān)控器這樣的設(shè)備，它由一個(gè)5V的USB壁式適配器或兩塊AA主電池供電，電壓變化范圍為3V（電池嶄新時(shí)）至1.6 V（電池耗盡時(shí)）。只有降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以承受從5V（壁式適配器）到1.6V（未連接壁式適配器且電池已耗盡）的寬輸入電壓范圍，并且仍然為系統(tǒng)產(chǎn)生3.3V電源軌。除了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，您只需要兩個(gè)外部二極管就可避免從壁式適配器流向電池的交叉電流，并在拔出壁式適配器時(shí)無縫切換到電池。
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的限制
當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部控制環(huán)路通常被設(shè)計(jì)成可以在降壓和升壓模式之間不斷切換。這樣的運(yùn)行方式可以讓人接受，但仍具有一些缺點(diǎn)：模式切換可能會(huì)產(chǎn)生不同的開關(guān)頻率、更高的輸出電壓紋波和更多的電磁干擾（EMI）。第二個(gè)負(fù)面影響就是此時(shí)的效率可能略有下降。
為了避免模式切換的負(fù)面影響，可以尋找具有專用的降壓升壓模式、且可使輸出電壓紋波保持在低水平的設(shè)備。例如，TI新推出的TPS638xx系列降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其降壓-升壓模式和磁滯特性可避免在易濾除的噪聲頻譜和較低的EMI之間發(fā)生切換。
降壓升壓器件能處理所有類型的電壓轉(zhuǎn)換嗎？
由于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器“包含”一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，可以用它來進(jìn)行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換。所以從這個(gè)角度來說，答案是肯定的。但仍需考慮更多細(xì)節(jié)。表1說明了給定的輸入電壓范圍與所需的輸出電壓，以及降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器能否成為出色的解決方案。
表1：DC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)涓攀?/div>
讓我們回到開始的問題：是否存在實(shí)現(xiàn)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換的通用工具？其實(shí)并不確定。當(dāng)不需要降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，致力于大容量產(chǎn)品開發(fā)的模擬設(shè)計(jì)人員將更喜歡專用升壓或降壓轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)化。然而，致力于小體積產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)師可能會(huì)認(rèn)為，某些方面的取舍是值得考慮的。
采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換（到降壓-升壓、降壓和升壓）可以帶來以下好處：
·跨項(xiàng)目擴(kuò)展，不僅節(jié)省時(shí)間，還可以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
可以不同DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)量減少到一個(gè)易于使用的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的列表中。
可以簡(jiǎn)化采購(gòu)程序，減少庫(kù)存的復(fù)雜性，提高價(jià)格杠桿作用和供應(yīng)穩(wěn)定性。
·降壓-升壓可以在關(guān)機(jī)期間斷開負(fù)載與電源的連接，而其他拓?fù)淇赡苄枰~外的負(fù)載開關(guān)。
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