設(shè)計(jì)成功的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器布局
發(fā)布時(shí)間:2020-09-01 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】LM5017系列產(chǎn)品等降壓轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器集成電路(IC)可以從正VIN產(chǎn)生負(fù)VOUT在DC/DC轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域是常識(shí)。乍一看,使用降壓穩(wěn)壓器IC的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖與降壓轉(zhuǎn)換器十分相似(圖1a和1c)。但是兩個(gè)電路也存在重大差異,無(wú)論是在電壓和電流高低,切換電流流動(dòng)還是在布局上。
在此前的博文中,我討論了VIN范圍、VOUT范圍和可用輸出電流IOUT最大值的區(qū)別。布局的差異源自反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和降壓變換器的切換電流流動(dòng)路徑的差異——雖然至關(guān)重要——不容易理解。
圖1顯示了降壓轉(zhuǎn)換器和反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)并流的差異。在降壓轉(zhuǎn)換器(圖1a和1b)中,輸入回路——包括輸入電容CIN、高側(cè)開(kāi)關(guān)QH和同步整流器QL,傳導(dǎo)高di / dt的切換電流。輸出回路,包括同步整流器QL、電感器L1和輸出電容Cout,具有相對(duì)連續(xù)的電流。因此,雖然優(yōu)化輸入電流回路區(qū)域至關(guān)重要,但是不如優(yōu)化輸出電流回路區(qū)域重要。
圖1:降壓轉(zhuǎn)換器(a和b)與反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(c和d)中的切換電流
反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的輸入和輸出電流回路與降壓轉(zhuǎn)換器(圖1c和1d)的構(gòu)成元素相同。輸入回路中元件包括輸入電容CIN、控制FET QH和同步整流器QL。輸出電流回路中元件包括同步整流器QL、濾波電感器L1及輸出電容COUT。然而,在反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中,輸入和輸出電流回路都有高di/dt切換電流,因?yàn)樵谇袚Q子間隔之間,濾波電感器從CIN切換至COUT。
因?yàn)榻祲汉头聪蛟韴D的相似性,切換電流路徑的差異經(jīng)常被忽視,并且許多反向降壓-升壓設(shè)計(jì)和布局與降壓轉(zhuǎn)換器相同,僅優(yōu)化輸入電流回路中的小部分回路區(qū)域。降壓到反向降壓-升壓的轉(zhuǎn)換常常被當(dāng)作重新連接VOUT和接地引腳。但是,這種方法沒(méi)有考慮到簡(jiǎn)單的降壓和反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器不同的電流(使用相同的穩(wěn)壓器IC),會(huì)導(dǎo)致這些問(wèn)題:
● 圖1c和1d所示的切換電流路徑會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電感,在切換節(jié)點(diǎn)上引起更高的尖峰,產(chǎn)生以下負(fù)面影響:
● 開(kāi)關(guān)電流流過(guò)非優(yōu)化電流回路產(chǎn)生更高的電磁干擾(EMI)和噪聲。
● 在反向降壓-升壓配置中,MOSFET的尖峰電壓在|VIN + VOUT|電壓以上。
● 通過(guò)輸出電容的切換電流比降壓轉(zhuǎn)換器中相同的電感器電流具有更高的均方根(RMS)(熱量)值。輸出電容的斷續(xù)電流還會(huì)產(chǎn)生更高的輸出紋波。因此,在選擇電容的過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員必須考慮到這些高紋波電流,以滿足VOUT紋波和IRMS額定電流的要求。圖2比較了降壓和反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器輸出電容的紋波電流。
圖2:降壓轉(zhuǎn)換器(a和b)輸出濾波電容器的紋波電流很小,因?yàn)殡姼衅骺偸桥c輸出節(jié)點(diǎn)連接。
由于流過(guò)輸出電容電流的不連續(xù)性,反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(c和d)輸出濾波電容器的紋波電流要高得多。
圖3顯示如何優(yōu)化反向降壓-升壓功率級(jí),以實(shí)現(xiàn)更低的di/dt輸入和輸出回路。圖4給出了使用100V同步降壓穩(wěn)壓器LM5017的反向降壓-升壓功率級(jí)布局示例。
圖 3:優(yōu)化功率級(jí)元件,減小切換電流回路區(qū)域(a),確認(rèn)電流回路(b)減小電流回路
圖4:采用LM5017同步降壓穩(wěn)壓器的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器布局示例
結(jié)論
設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用降壓穩(wěn)壓器來(lái)創(chuàng)建反向降壓-升壓穩(wěn)壓器。但是,降壓和反向降壓-升壓電路之間的切換電流存在重要的差異。特別是,設(shè)計(jì)者應(yīng)注意輸出濾波電容的選擇和切換電流回路的布局,以獲得最佳的可靠性和噪聲性能。
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