新的超低 IQ 降压-升压型转换器如何超越传统供电方案？

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凌力尔特公司                  凌力尔特公司                 凌力尔特公司

John Bazinet                 David Loconto               Steve Knoth

电源产品部科学专家       电源产品部设计中心经理   电源产品部高级产品市场工程师

背景信息

由于存在非理想或多个输入电源、瞬态干扰以及存储组件充放电，DC/DC 转换器的输入电压会在很宽的范围内变化。降压-升压型 DC/DC 转换器是电源设计师用来应对这类变化的工具中最有用的工具之一。单个电感器、同相降压-升压型转换器无缝地降低或升高输入电压并调节输出电压，这无论输入是高于、等于或低于输出。降压-升压型转换器能够灵活应对这 3 种情况，因此可以代替两个 IC (一个单独的降压型转换器或一个低压差线性稳压器加上一个升压型转换器)，从而大幅度延长便携式系统的电池寿命。用料清单 (BOM) 也简化了，因此节省了在印刷电路板 (PCB) 上占用的空间 / 面积。在有多个潜在电源的情况下，视电源不同而不同，降压-升压型转换器可以在完全降压或升压模式下运行。反过来，在电源备份应用中，存储组件放电的放电电压曲线横跨所需要的固定输出，这时降压-升压型转换器将用到两种运行模式。

面对不同市场的电源方案

除消费类产品以外，视应用不同的情况，输入和输出电压范围变化都很大。例如，标准工业电源总线电压为 24V 或 12V。大多数系统都需要多个良好稳定的电源轨来供电，较低电压的电源轨一般由降压型稳压器或 LDO 供电。不过，为了给传感器和各种不同的模拟组件 (运算放大器、电动机或收发器) 供电，还存在对稳定的 12V 和 24V 电源轨的需求。取决于电源总线状态或系统配置，很多这些系统既需要降压转换又需要升压转换。降压-升压型转换器能够灵活地用各种输入电源运行，从而最大限度减少了设计中所需的电源转换器数量和用料清单中的数目。

汽车电池电压范围很宽且要求严格

在汽车应用中，12V 汽车电池是所有电子系统的主电源。标称 12V 在冷车发动时可能降至 3V，在抛载时可能上升至近 40V (受到瞬态电压抑制器的限制)。这种环境对电子产品造成了严酷考验，要求电子产品在各种条件下能坚固和可靠地运行。因此，很多内部系统都会遇到约为 24V 双倍的电池电压 (例如拖车快速启动时)。这些极端电压情况以及引擎罩内可能出现的极端高温都要求使用坚固可靠的电子系统。出于这些原因，用降压-升压型转换器产生系统电压，包括汽车电气系统中常见的 5V 至 12V 电源轨，是应该采取的审慎做法。

航空电子、军用和航天环境采用标准电源轨，但是也可能靠各种不同的电池配置和太阳能电池板运行，因此要求电源能够应对非常宽的输入电压范围。有些应用要求接受很多不同的输入源，以便任何能源都可以自动给系统供电。例如，很多军事应用必须接受由不同类型的电池、适配器甚至太阳能电池板供电。

工业和军用 / 航天系统要求向必要的下游电子系统可靠供电，甚至在类似于汽车环境的严苛输入电压情况下。此外，这类系统一般还要求很宽的工作温度范围。

电源转换设计挑战

过去，既需要以降压模式又需要以升压模式运行的设计一直是通过使用多个电源转换器实现的，这类设计的典型问题有 PCB 面积、尺寸、成本和复杂性较高、可靠性较低、静态电流 (I_Q) 较大以及转换效率较低。可替代拓扑，例如 SEPIC (单端主电感转换器)，尽管比多个电源转换器设计简单，但是效率比同步降压-升压型转换器约低 10%，而且需要两个电感器和一个大电流耦合电容器，这提高了复杂性和潜在噪声，并缩短了电池寿命。

降压-升压型转换器以升压模式运行时，面临着一些独特的挑战，尤其是当升压型转换器断开时，或者在刚加上电源时。常规升压型转换器在 V_IN 至 V_OUT 之间，通过电感器和升压型二极管提供一条直接的电流通路。当电源加到 V_IN 上时，升压型转换器这个特点可能引起很大和有可能造成损坏的浪涌电流，而当电源转换器关断时，V_OUT 比 V_IN 低一个二极管压降，因此 V_OUT 仅得到部分供电。幸运的是，凌力尔特公司的很多降压-升压型转换器具输出断接功能，这是其 4 开关架构所固有的特点。因此，当电源一加到 V_IN 上时，降压-升压型转换器的输入电流就受到控制，从零逐渐斜坡上升至电流限制值，同时 V_OUT 加电上升。当降压-升压型转换器断开时，V_OUT 和 V_IN 会彻底断开，以便 V_OUT 能够安全地放电直至零伏。