關于逆變降壓升壓轉換器的所有內容

了解反向降壓-升壓轉換器，一種設計用于處理不穩定輸入電壓的開關電壓調節器。

對于電路設計者來說，基于電感器的開關模式電壓轉換是一項必不可少的技術。它允許我們通過高效緊湊的電路實現降壓和升壓調節，而不會在過程中引入過多的復雜性。

我在前面的文章中介紹了降壓和升壓調節器，今天我們將了解另一種基本的開關調節器拓撲：反向降壓-升壓轉換器。

當我在本文中使用術語basic時，我指的是由輸出電容以及一個電感器、一個開關和一個二極管組成的電路。現在我提到這一點，是為了解釋為什么本文只介紹反向降壓-升壓架構，而不包括四開關降壓-升壓架構。

逆變降壓-升壓轉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生負輸出電壓，該負輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。

通用逆變降壓-升壓轉換器電路圖

?圖1。逆變降壓-升壓轉換器的一般拓撲結構。

LTspice電路設計

雖然這次我不逐一向你們介紹方案設計過程，但我想簡單地對幾個方面進行評論。

對于降壓轉換器的原理圖，我采用了一種正式的方法，其中組件值是在公式和性能規范的輔助下確定的。對于升壓轉換器，我更多地從示例電路中工作，并優先考慮維持合理電感器尺寸的實際目標。

然而，對于這個降壓-升壓轉換器，我依賴于由試驗和錯誤補充的直覺。有多種方法來處理開關模式電源（SMPS）功率級的設計。公式和數據表建議是一個很好的開始，但也不要害怕試驗。

一定要仔細檢查你的工作。一開始，LTspice不能成功地運行這個電路的模擬，最后我意識到我的電流源指向了錯誤的方向！請記住，反向降壓負載的VOUT為負，因此負載電流從接地節點向上流動。

降壓柱示意圖的最終版本如圖2所示。我們將首先使用它來檢查反向降壓-升壓轉換器的基本操作，然后對其進行模擬以進行更詳細的分析。

L逆變降壓-升壓轉換器示意圖。輸入電壓為常數。

?圖2。在LTspice中實現的反向降壓-升壓轉換器。

逆變降壓升壓變換器的基本操作

與前面的變換器拓撲一樣，我們將在兩個不同的操作階段分析降壓-升壓變換器：當開關導通電流時（接通狀態）和當開關阻斷電流時（關斷狀態）。我們將從接通狀態開始。

開關接通狀態

圖3顯示了接通狀態下通過電路的電流路徑：當開關導通時，電流從輸入電源流過電感器，然后流向接地。

圖中顯示了在接通狀態下通過反向降壓-升壓轉換器的電流。

?圖3。接通狀態下流過降壓-升壓轉換器的電流。

電感器正在充電，電流上升。同時，負載電流完全由輸出電容器提供，我們假設輸出電容器已經充電到輸出電壓。它向上流動，因為VOUT為負，因此低于接地電位。當我們討論關斷狀態時，我們會明白為什么輸出電容器充電到負電壓。

由于VOUT是負的，并且電感器上端的電壓大約等于VIN，所以二極管反向偏置。然而，由于所涉及的電壓極性，電流自然會從輸入側流向輸出側。。

關閉狀態

圖4所示為斷開狀態下電流的路徑。

截止狀態下通過反向降壓-升壓轉換器的電流圖。

?圖4。斷開狀態下流過降壓-升壓轉換器的電流。

當開關打開時，電感器試圖保持一致的電流。這導致其上端的電壓降低，直到二極管被正向偏置為止。一旦二極管導通，電感器就起到負載電流的能量來源的作用；它還以這樣的方式通過電容器吸取電流，使得電容器的上端的電壓必須低于地。電容器充電至負電壓，VOUT變為負。

占空比和輸出電壓

無論輸出電壓的絕對值高于或低于輸入電壓，在接通和關斷狀態期間的電氣行為的描述都是有效的。VOUT的絕對值可以通過振蕩器信號的占空比來控制：這是反向降壓負載如何產生比輸入電壓大或小的負電壓的方式。

我將使用圖2中的.step語句來演示這個電路生成高于、低于或等于輸入電壓的VOUT幅值的能力。輸出電壓由振蕩器的占空比（D）確定。

步進聲明中包括的D值為：

10%，相當于-0.56 V的理論VOUT。

50%，相當于-5V的理論VOUT。

和90%，相當于–45 V的理論VOUT。

現在讓我們嘗試一個LTspice模擬（圖5）。

LTspice模擬結果顯示了三個不同占空比下反向降壓-升壓轉換器的輸出電壓。

?圖5。三個不同占空比的降壓-升壓轉換器輸出電壓。

模擬輸出電壓為-0.27V、-5.2V和-27V。雖然這些值與上述理論結果不甚一致，但差異并非微不足道。在這種情況下，理論和SPICE之間的差異并不關心我：我以前已經看到過，并且我知道唯一可靠的解決方案是閉環控制。我們將在未來的一篇文章中更深入地討論這個問題。

電感器電流和電壓

圖6顯示了電感器電流和開關狀態之間的關系。

反向降壓-升壓轉換器的輸出電壓、開關電壓和電感電流的LTspice圖。

?圖6。降壓-升壓轉換器的輸出電壓、開關電壓和電感電流。

當開關閉合時，電感器電流開始增加，電感器在其磁場中存儲能量。當開關斷開時，電感器的電流隨著能量傳輸到電路的輸出部分而傾斜下降。

圖7將振蕩器信號替換為電感器兩端的電壓。因為它也是二極管陰極端子的電壓，所以電感器電壓被標記為VCATHODE。

反向降壓-升壓轉換器的輸出電壓、電感電壓和電感電流的LTspice圖。

?圖7。降壓-升壓轉換器的輸出電壓、電感器電壓和電感器電流。

當開關接通時，輸入電壓和電感器兩端的電壓相似。然而，當開關關斷時，電感器必須使VCATHODE足夠低以正向偏置二極管。從上面的圖中可以看出，VCATHODE降低到–5.5 V，這大約是二極管降到–5.16 V輸出以下。

記住我們使用的是肖特基二極管，這意味著二極管的截止電壓大大低于我們使用典型的硅二極管得到的0.6或0.7伏。

可變輸入電壓

降壓-升壓轉換器在盡管輸入電壓可變但必須維持規定的輸出電壓時最有用。例如，當電池放電時，電池供電的設備將看到輸入電壓逐漸減小。

我已經修改了圖2中的示意圖以生成圖8，我們將使用它來演示如何適當地改變占空比來補償VIN中的變化。

L逆變降壓-升壓轉換器示意圖。）。

?圖8。來自圖2的電路，但具有修改的VIN源和.step聲明。

我將VIN源從恒定的5V更改為分段線性（PWL）函數，該函數從6V開始，然后降低到4V，然后再次降低到3V。您可以在圖9中看到生成的波形。

LTspice圖顯示了作為PWL函數的反向降壓-升壓轉換器輸入電壓。

?圖9。圖8中降壓-升壓轉換器的車輛識別代碼。

我還將.step語句中的值修改為將6V、4V和3V轉換為-5V所需的三個占空比。這些占空比分別為45%、58%和68%。我從上面所示的VOUT/VIN關系開始找到這些值，然后通過嘗試和錯誤來調整它們。

如果您運行這個模擬并在單獨的窗格中繪制VIN和VOUT，那么您將得到圖10。

?圖10。頂部窗格：VIN。底部窗格：上面三個VIN值中每一個的VOUT。

頂部窗格中的三個VIN級別中的每一個都由底部（VOUT）窗格中的不同顏色跡線表示。

為了理解VOUT圖，讓我們考慮每個軌跡隨時間的變化——特別是它與代表我們所需輸出電壓的光標虛線相交的時間。

綠色軌跡：占空比為45%。VOUT=–5 V，介于0 ms和4 ms標記之間。

藍色軌跡：占空比58%。VOUT=–5 V，大致從5 ms到9 ms標記。

紅色痕跡：占空比68%。VOUT=–5 V，從9 ms標記到繪圖結束。

我們從綠色到藍色再到紅色——換句話說，從45%到58%到68%的占空比。

反演問題

我們已經知道，這種拓撲結構接受正輸入電壓并產生負輸出電壓。如果負載電路不需要與電源共享參考電勢，則輸出可以被視為正：地變為電源軌，負VOUT變為地。例如，這適用于通過高功率LED驅動電流。

然而，在許多應用中，這是不可行的，因為負載電路不能獨立于系統中信號參考原始接地節點的其他部分而工作。如果你正在尋找正VIN到正VOUT的調節，就像通常的情況一樣，這種倒置是一個主要的限制。這就是為什么四開關拓撲是一種流行的替代方案：盡管它需要更多的組件，但它具有產生正輸出電壓的優勢。

總結

我們研究了反相降壓-升壓轉換器的基本原理，分析了一些電流和電壓波形，并創建了電路補償電池電壓能力的簡化演示，該電池電壓開始高于所需輸出電壓，然后降低到低于所需輸出電壓的水平。

我希望這篇文章不僅能幫助您了解這種調節器拓撲的工作原理，還能幫助您了解它如何在輸入電壓不穩定或可變的情況下增加靈活性和便利性。如果你仍然有問題或想更深入地研究這個話題，這份關于理解反向降壓-升壓功率階段的德州儀器應用程序說明是一個很好的資源。