降压-升压转换器如何设计?

　　不同电源转换器技术规格中的一个明显变化就是需要将宽范围的输入电压转换为经稳压的输出电压。然而，如果未经稳压的输入电压在经稳压输出电压的设定点以上、以下或者是与之相等的范围内不断变化，而需要进行降压-升压转换时，这个任务就会变得更加具有挑战性。降压-升压转换对于大量应用是必不可少的，这些应用包括电池充电、固态照明、工业计算和汽车应用。

　　这篇文章简要回顾了与4开关降压-升压转换器设计相关的很多因素。特别回答了组件选型和功耗计算方面的问题，以及用快速启动计算器工具来协调和加快转换器设计流程的问题。

　　同步降压-升压转换器运行

　　作为一个既提供升压转换又能执行降压转换的有效方法，一款设计合理的降压-升压电路由于其便利性而成为一个不可或缺的器件。我们来复习一下图1中所示的4开关（非反向）同步降压-升压拓扑。

　　降压-升压功率级的主要优点在于，降压、升压、以及降压-升压转换模式可以按照需要在宽输入电压和负载电流范围内实现高效率。和与之相类似的单开关（反向）降压-升压相比，它还提供一个正的输出电压，以及相对于SEPIC、反激式和级联升压-降压拓扑较低的功率损耗和更高的功率密度。

　　图1. 4开关同步降压-升压转换器功率级。

　　在图1中，4个功率MOSFET被安排为H桥配置中的降压和升压桥臂，其中的开关节点SW1和SW2由电感器LF 相连。当输入电压分别高于或低于输出电压时，同步降压或升压开始运行，而对面非开关桥臂的高侧MOSFET运行为导通器件。更重要的一点是，当输入电压接近输出电压时，开关降压或升压桥臂达到预期的占空比限值，从而触发向降压-升压工作模式的转换。操作模式的变化应该平滑顺畅、并且是自主进行的，无需改变控制配置。这一目的的实现方式，以及功率级与控制机制可能存在的相互依赖关系是非常重要的。

　　例如，作为一款特定的降压-升压控制器，LM5175［4］ 在降压-升压模式中采用一个独特的机制，降压和升压桥臂以准交错的方式在减少的频率上切换，从而在效率和功率损耗方面有着显著优势。峰值电流模式和谷值电流模式降压控制技术可实现平滑顺畅的模式变换，需要的只是一个用于电流感测的低侧已配置分压电阻器。基于VIN和VOUT之间差异的斜坡补偿实现方式往往为无差拍响应，并且标志着一个增加电源抑制 （PSR） 和抑制线路瞬变的好方法。

　　针对电流模式降压-升压转换器的设计流程

　　图2中绘制的是一个4开关同步降压-升压转换器完整的电路原理图。这个电路原理图包括针对功率级、栅极驱动器的自举电路、电流感测网路的组件，以及用于实现更低电磁干扰 （EMI） 的展频频率调制 （SSFM）、［5］可编程欠压闭锁（UVLO）、输出反馈和环路补偿的组件。

　　图2.具有电流模式控制器的4开关降压-升压转换器的电路原理图。

　　一个快速启动工具资源［3］提供了一个针对4开关降压-升压转换器的分析与设计框架。步骤是从转换器技术规格到组件选型，再到性能审验（效率、组件耗散和波特图），如果需要的话，之后是重复设计。将LM5175同步降压-升压控制器作为起点，让我们来一步步地回顾一下400kHz转换器的设计流程；这款转换器在6A额定电流下，在输入源为6V至42V电压时，提供一个12V输出。

　　步骤1：运行技术规格

　　图3中的屏幕截图显示的是步骤1，或针对输入电压范围、输出电压、负载电流和开关频率的用户技术规格条目。

　　步骤2：电感器筛选

　　电感取决于输入电压范围和目标峰值到峰值电感器纹波电流比。方程式1分别设定了30%和80%时，深度升压和深度降压运行点内的目标纹波电流比。

　　有3个主要参数可以证明电感器性能—电阻 （DCR）、饱和电流 （ISAT）和内核损耗。具有铁粉磁芯材料的电感器在高达400kHz的开关频率上具有突出的性能，从而成为很多应用中的主流解决方案。值得注意也十分理想的特性就是电感会随着电流的增加而逐渐减少。同时，以铁氧体为磁芯的电感器具有相对低的内核损耗，虽然它们会在饱和刚刚开始时防止电感骤降。

　　图3. 步骤1到3分别是指运行技术规格、电感器筛选和电流感测。这个电路原理图是根据输入的以及计算出来的组件值自动组装而成。

　　步骤3：分路电阻

根据针对电流限值的相关阈值设定分路电阻。例如，方程式2适用于LM5175，并在降压中指定80mV谷值阈值，在升压中指定160mV的峰值阈值。当升压占空比在其最大值时，分路功率耗散在最低输入电压上达到峰值。一个宽纵横比分路电阻器，比如说封装规格为1225的电阻器，有利于将PCB布局布线中的元件放置位