了解反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，一種設(shè)計(jì)用于處理不穩(wěn)定輸入電壓的開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。

對(duì)于電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，基于電感器的開(kāi)關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換是一項(xiàng)必不可少的技術(shù)。它允許我們通過(guò)高效緊湊的電路實(shí)現(xiàn)降壓和升壓調(diào)節(jié)，而不會(huì)在過(guò)程中引入過(guò)多的復(fù)雜性。

我在前面的文章中介紹了降壓和升壓調(diào)節(jié)器，今天我們將了解另一種基本的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器拓?fù)洌?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/反向降壓">反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)我在本文中使用術(shù)語(yǔ)basic時(shí)，我指的是由輸出電容以及一個(gè)電感器、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管組成的電路。現(xiàn)在我提到這一點(diǎn)，是為了解釋為什么本文只介紹反向降壓-升壓架構(gòu)，而不包括四開(kāi)關(guān)降壓-升壓架構(gòu)。

逆變降壓-升壓轉(zhuǎn)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(chǎn)生負(fù)輸出電壓，該負(fù)輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。

通用逆變降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路圖

?圖1。逆變降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

LTspice電路設(shè)計(jì)

雖然這次我不逐一向你們介紹方案設(shè)計(jì)過(guò)程，但我想簡(jiǎn)單地對(duì)幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)論。

對(duì)于降壓轉(zhuǎn)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(guī)范的輔助下確定的。對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，我更多地從示例電路中工作，并優(yōu)先考慮維持合理電感器尺寸的實(shí)際目標(biāo)。

然而，對(duì)于這個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，我依賴(lài)于由試驗(yàn)和錯(cuò)誤補(bǔ)充的直覺(jué)。有多種方法來(lái)處理開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）功率級(jí)的設(shè)計(jì)。公式和數(shù)據(jù)表建議是一個(gè)很好的開(kāi)始，但也不要害怕試驗(yàn)。

一定要仔細(xì)檢查你的工作。一開(kāi)始，LTspice不能成功地運(yùn)行這個(gè)電路的模擬，最后我意識(shí)到我的電流源指向了錯(cuò)誤的方向！請(qǐng)記住，反向降壓負(fù)載的VOUT為負(fù)，因此負(fù)載電流從接地節(jié)點(diǎn)向上流動(dòng)。

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(lái)檢查反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本操作，然后對(duì)其進(jìn)行模擬以進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

L逆變降壓-升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。輸入電壓為常數(shù)。

?圖2。在LTspice中實(shí)現(xiàn)的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

逆變降壓升壓變換器的基本操作

與前面的變換器拓?fù)湟粯?，我們將在兩個(gè)不同的操作階段分析降壓-升壓變換器：當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電流時(shí)（接通狀態(tài)）和當(dāng)開(kāi)關(guān)阻斷電流時(shí)（關(guān)斷狀態(tài)）。我們將從接通狀態(tài)開(kāi)始。

開(kāi)關(guān)接通狀態(tài)

圖3顯示了接通狀態(tài)下通過(guò)電路的電流路徑：當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流從輸入電源流過(guò)電感器，然后流向接地。

圖中顯示了在接通狀態(tài)下通過(guò)反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

?圖3。接通狀態(tài)下流過(guò)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

電感器正在充電，電流上升。同時(shí)，負(fù)載電流完全由輸出電容器提供，我們假設(shè)輸出電容器已經(jīng)充電到輸出電壓。它向上流動(dòng)，因?yàn)閂OUT為負(fù)，因此低于接地電位。當(dāng)我們討論關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，我們會(huì)明白為什么輸出電容器充電到負(fù)電壓。

由于VOUT是負(fù)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(huì)從輸入側(cè)流向輸出側(cè)。。

關(guān)閉狀態(tài)

圖4所示為斷開(kāi)狀態(tài)下電流的路徑。

截止?fàn)顟B(tài)下通過(guò)反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流圖。

?圖4。斷開(kāi)狀態(tài)下流過(guò)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電感器試圖保持一致的電流。這導(dǎo)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(dǎo)通，電感器就起到負(fù)載電流的能量來(lái)源的作用；它還以這樣的方式通過(guò)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(fù)電壓，VOUT變?yōu)樨?fù)。

占空比和輸出電壓

無(wú)論輸出電壓的絕對(duì)值高于或低于輸入電壓，在接通和關(guān)斷狀態(tài)期間的電氣行為的描述都是有效的。VOUT的絕對(duì)值可以通過(guò)振蕩器信號(hào)的占空比來(lái)控制：這是反向降壓負(fù)載如何產(chǎn)生比輸入電壓大或小的負(fù)電壓的方式。

我將使用圖2中的.step語(yǔ)句來(lái)演示這個(gè)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(jìn)聲明中包括的D值為：

10%，相當(dāng)于-0.56 V的理論VOUT。

50%，相當(dāng)于-5V的理論VOUT。

和90%，相當(dāng)于–45 V的理論VOUT。

現(xiàn)在讓我們嘗試一個(gè)LTspice模擬（圖5）。

LTspice模擬結(jié)果顯示了三個(gè)不同占空比下反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

?圖5。三個(gè)不同占空比的降壓-升壓轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)心我：我以前已經(jīng)看到過(guò)，并且我知道唯一可靠的解決方案是閉環(huán)控制。我們將在未來(lái)的一篇文章中更深入地討論這個(gè)問(wèn)題。

電感器電流和電壓

圖6顯示了電感器電流和開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系。

反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓、開(kāi)關(guān)電壓和電感電流的LTspice圖。

?圖6。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓、開(kāi)關(guān)電壓和電感電流。

當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感器電流開(kāi)始增加，電感器在其磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感器的電流隨著能量傳輸?shù)诫娐返妮敵霾糠侄鴥A斜下降。

圖7將振蕩器信號(hào)替換為電感器兩端的電壓。因?yàn)樗彩嵌O管陰極端子的電壓，所以電感器電壓被標(biāo)記為VCATHODE。

反向降壓-升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的輸出電壓、電感器電壓和電感器電流。

當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，輸入電壓和電感器兩端的電壓相似。然而，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，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(zhuǎn)換器在盡管輸入電壓可變但必須維持規(guī)定的輸出電壓時(shí)最有用。例如，當(dāng)電池放電時(shí)，電池供電的設(shè)備將看到輸入電壓逐漸減小。

我已經(jīng)修改了圖2中的示意圖以生成圖8，我們將使用它來(lái)演示如何適當(dāng)?shù)馗淖冋伎毡葋?lái)補(bǔ)償VIN中的變化。

L逆變降壓-升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。）。

?圖8。來(lái)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(shù)，該函數(shù)從6V開(kāi)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(shù)的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓。

?圖9。圖8中降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的車(chē)輛識(shí)別代碼。

我還將.step語(yǔ)句中的值修改為將6V、4V和3V轉(zhuǎn)換為-5V所需的三個(gè)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(guān)系開(kāi)始找到這些值，然后通過(guò)嘗試和錯(cuò)誤來(lái)調(diào)整它們。

如果您運(yùn)行這個(gè)模擬并在單獨(dú)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(gè)VIN值中每一個(gè)的VOUT。

頂部窗格中的三個(gè)VIN級(jí)別中的每一個(gè)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(gè)軌跡隨時(shí)間的變化——特別是它與代表我們所需輸出電壓的光標(biāo)虛線相交的時(shí)間。

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

藍(lán)色軌跡：占空比58%。VOUT=–5 V，大致從5 ms到9 ms標(biāo)記。

紅色痕跡：占空比68%。VOUT=–5 V，從9 ms標(biāo)記到繪圖結(jié)束。

我們從綠色到藍(lán)色再到紅色——換句話(huà)說(shuō)，從45%到58%到68%的占空比。

反演問(wèn)題

我們已經(jīng)知道，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)接受正輸入電壓并產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。如果負(fù)載電路不需要與電源共享參考電勢(shì)，則輸出可以被視為正：地變?yōu)殡娫窜?，?fù)VOUT變?yōu)榈?。例如，這適用于通過(guò)高功率LED驅(qū)動(dòng)電流。

然而，在許多應(yīng)用中，這是不可行的，因?yàn)樨?fù)載電路不能獨(dú)立于系統(tǒng)中信號(hào)參考原始接地節(jié)點(diǎn)的其他部分而工作。如果你正在尋找正VIN到正VOUT的調(diào)節(jié)，就像通常的情況一樣，這種倒置是一個(gè)主要的限制。這就是為什么四開(kāi)關(guān)拓?fù)涫且环N流行的替代方案：盡管它需要更多的組件，但它具有產(chǎn)生正輸出電壓的優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)

我們研究了反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本原理，分析了一些電流和電壓波形，并創(chuàng)建了電路補(bǔ)償電池電壓能力的簡(jiǎn)化演示，該電池電壓開(kāi)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(diào)節(jié)器拓?fù)涞墓ぷ髟恚€能幫助您了解它如何在輸入電壓不穩(wěn)定或可變的情況下增加靈活性和便利性。如果你仍然有問(wèn)題或想更深入地研究這個(gè)話(huà)題，這份關(guān)于理解反向降壓-升壓功率階段的德州儀器應(yīng)用程序說(shuō)明是一個(gè)很好的資源。