關(guān)于反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器的所有信息
發(fā)布日期:2023-10-01
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基于電感器的開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換是電路設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)基本技術(shù)。它使我們能夠通過高效且緊湊的電路實(shí)現(xiàn)降壓和升壓調(diào)節(jié)，而不會在過程中引入過多的復(fù)雜性。
我在之前的文章中介紹了降壓和升壓穩(wěn)壓器，今天我們將了解另一種基本開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洌悍聪嘟祲?升壓轉(zhuǎn)換器。
當(dāng)我在這種情況下使用“基本”一詞時(shí)，我指的是由輸出電容以及一個(gè)電感器、一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管組成的電路。我現(xiàn)在提到這一點(diǎn)是為了解釋為什么本文僅介紹反相降壓-升壓架構(gòu)，而不包括四開關(guān)降壓-升壓架構(gòu)。
反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本布局如下圖 1 所示。該電路接受正輸入電壓并產(chǎn)生負(fù)輸出電壓，該電壓可以大于或小于輸入電壓。
圖 1.反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的通用拓?fù)洹?/div>
現(xiàn)在是我在 LTspice 中創(chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候了。
想在深入研究之前回顧一下基礎(chǔ)知識嗎？閱讀“什么是開關(guān)穩(wěn)壓器？”，回顧與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器相關(guān)的一般概念。
LTspice電路設(shè)計(jì)
雖然這次我不會逐步引導(dǎo)您完成原理圖設(shè)計(jì)過程，但我想簡要評論幾個(gè)方面。
對于我的降壓轉(zhuǎn)換器原理圖，我采用了一種正式方法，其中借助公式和性能規(guī)格來確定元件值。對于升壓轉(zhuǎn)換器，我更多地研究示例電路，并優(yōu)先考慮維持合理電感器尺寸的實(shí)際目標(biāo)。
不過，對于這個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，我依靠直覺并輔以反復(fù)試驗(yàn)。開關(guān)模式電源 (SMPS) 功率級的設(shè)計(jì)有多種方法。公式和數(shù)據(jù)表建議是一個(gè)很好的起點(diǎn)，但不要害怕嘗試。
請務(wù)必仔細(xì)檢查您的工作。起初，LTspice 無法成功運(yùn)行該電路的仿真，我終意識到電流源指向了錯(cuò)誤的方向！請記住，反相降壓-升壓電路的V OUT為負(fù)，因此負(fù)載電流從接地節(jié)點(diǎn)向上流動。
我的降壓-升壓原理圖的終版本如圖 2 所示。我們將首先使用它來檢查反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本操作，然后進(jìn)行模擬以進(jìn)行更詳細(xì)的分析。
圖 2.在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。
圖 2.在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。
反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本操作
與之前的轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟粯?，我們將在兩個(gè)不同的操作階段分析降壓-升壓轉(zhuǎn)換器：當(dāng)開關(guān)傳導(dǎo)電流時(shí)（接通狀態(tài)），以及當(dāng)開關(guān)阻塞電流時(shí)（關(guān)斷狀態(tài)）。我們將從開啟狀態(tài)開始。
開啟狀態(tài)
圖 3.接通狀態(tài)下流經(jīng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。
圖 3 顯示了開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下電流通過電路的路徑： 當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流從輸入電源流經(jīng)電感器，然后流至地。
該圖顯示了在接通狀態(tài)下流過反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。
電感器正在充電——其電流正在上升。同時(shí)，負(fù)載電流完全由輸出電容器提供，我們假設(shè)輸出電容器已經(jīng)充電至輸出電壓。它向上流動，因?yàn)閂 OUT為負(fù)，因此低于地電位。當(dāng)我們討論關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，我們將了解為什么輸出電容器充電到負(fù)電壓。
由于V OUT為負(fù)且電感器上端子處的電壓約等于V IN，因此二極管反向偏置。然而，由于涉及電壓極性，電流自然會從輸入側(cè)流向輸出側(cè)。二極管的方向可以防止這種情況發(fā)生。
關(guān)閉狀態(tài)
圖 4 顯示了關(guān)斷狀態(tài)下電流的路徑。
該圖顯示了在關(guān)斷狀態(tài)下流過反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。
圖 4.關(guān)斷狀態(tài)下流經(jīng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。
當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電感器嘗試保持一致的電流。這導(dǎo)致其上端子處的電壓下降，直到二極管正向偏置。一旦二極管導(dǎo)通，電感器就充當(dāng)負(fù)載電流的能源；它還通過電容器吸取電流，使得電容器上端子處的電壓必須低于接地電壓。電容器充電至負(fù)電壓，V OUT變?yōu)樨?fù)值。
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