開關電源設計秘笈之降壓/升壓設計中降壓控制器

電子電路通常都工作在正穩壓輸出電壓下，而這些電壓一般都是由降壓穩壓器來提供的。如果同時還需要負輸出電壓，那么在降壓—升壓拓撲中就可以配置相同的降壓控制器。負輸出電壓降壓—升壓有時稱之為負反向，其工作占空比為50%，可提供相當于輸入電壓但極性相反的輸出電壓。其可以隨著輸入電壓的波動調節占空比，以“降壓”或“升壓”輸出電壓來維持穩壓。

圖5.1顯示了一款精簡型降壓—升壓電路，以及電感上出現的開關電壓。這樣一來該電路與標準降壓轉換器的相似性就會頓時明朗起來。實際上，除了輸出電壓和接地相反以外，它和降壓轉換器完全一樣。這種布局也可用于同步降壓轉換器。這就是與降壓或同步降壓轉換器端相類似的地方，因為該電路的運行與降壓轉換器不同。

FET開關時出現在電感上的電壓不同于降壓轉換器的電壓。正如在降壓轉換器中一樣，平衡伏特-微秒(V-μs)乘積以防止電感飽和是非常必要的。當 FET為開啟時(如圖1所示的ton間隔)，全部輸入電壓被施加至電感。這種電感“點”側上的正電壓會引起電流斜坡上升，這就帶來電感的開啟時間V-μs 乘積。FET關閉(toff)期間，電感的電壓極性必須倒轉以維持電流，從而拉動點側為負極。電感電流斜坡下降，并流經負載和輸出電容，再經二極管返回。電感關閉時V-μs乘積必須等于開啟時V-μs乘積。由于Vin和Vout不變，因此很容易便可得出占空比(D)的表達式：D=Vout/(VoutVin)。這種控制電路通過計算出正確的占空比來維持輸出電壓穩壓。

降壓—升壓電感必須工作在比輸出負載電流更高的電流下。其被定義為IL=I/(1-D)，或只是輸入電流與輸出電流相加。對于和輸入電壓大小相等的負輸出電壓(D=0.5)而言，平均電感電流為輸出的2倍。

有趣的是，連接輸入電容返回端的方法有兩種，其會影響輸出電容的rms電流。典型的電容布局是在+Vin和Gnd之間，與之相反，輸入電容可以連接在+Vin和V之間。利用這種輸入電容配置可降低輸出電容的rms電流。然而，由于輸入電容連接至Vout，因此Vout上便形成了一個電容性分壓器。這就在控制器開始起作用以前，在開啟時間的輸出上形成一個正峰值。為了最小化這種影響，最佳的方法通常是使用一個比輸出電容要小得多的輸入電容，請參見圖5.2所示的電路。輸入電容的電流在提供dc輸出電流和吸收平均輸入電流之間相互交替。rms 電流電平在最高輸入電流的低輸入電壓時最差。因此，選擇電容器時要多加注意，不要讓其ESR過高。陶瓷或聚合物電容器通常是這種拓撲較為合適的選擇。

必須要選擇一個能夠以最小輸入電壓減去二極管壓降上電的控制器，而且在運行期間還必須能夠承受得住Vin加Vout的電壓。FET和二極管還必須具有適用于這一電壓范圍的額定值。通過連接輸出接地的反饋電阻器可實現對輸出電壓的調節，這是由于控制器以負輸出電壓為參考電壓。只需精心選取少量組件的值，并稍稍改動電路，降壓控制器便可在負輸出降壓—升壓拓撲中起到雙重作用。