因此,在這種條件下,反相降壓-升壓拓撲能在高效率和小尺寸之間達成較好的折衷效果。要實現這些優勢,必須充分了解高壓條件下反相降壓-升壓拓撲的工作原理。在深入研究這些細節之前,我們首先簡要回顧一下反相降壓-升壓拓撲。然后,比較反相降壓-升壓拓撲、降壓拓撲和升壓拓撲的關鍵電流路徑。
三種基本的非隔離拓撲
反相降壓-升壓拓撲屬于三種基本的非隔離開關拓撲。這些拓撲結構都包括一個控制晶體管(通常是一個MOSFET)、一個二極管(可能是肖特基二極管或有源二極管,即同步MOSFET),以及一個作為儲能元件的功率電感。這三個元件之間的共同連接稱為開關節點。功率電感相對于開關節點的位置決定拓撲結構。
如果線圈位于開關節點和輸出之間,將構成DC-DC降壓轉換器,我們在下文中將其簡稱為降壓轉換器。或者,如果線圈位于輸入和開關節點之間,將構成DC-DC升壓轉換器,簡稱為升壓轉換器。最后,如果線圈位于開關節點和地(GND)之間,則構成DC-DC反相降壓-升壓轉換器。
在每個開關周期,甚至在連續導通模式(CCM)下,所有三種拓撲包含的組件和PCB走線的電流會快速變化,導致圖1c、2c和3c突出顯示的噪聲轉移。盡可能設計較小的熱回路,以降低電路輻射的電磁干擾(EMI)。這里,需要提醒大家的是,熱回路并非一定是電流循環流動的物理回路。實際上,在圖1、圖2和圖3突出顯示的各個回路中,由紅色和藍色突出顯示的組件和線路構成熱回路,其電流急劇轉換并不會發生在相同方向。
圖1. 屬于熱回路的組件和線路——在CCM下運行的降壓轉換器。
圖2. 屬于熱回路的組件和線路——在CCM下運行的升壓轉換器。
對于圖3所示的CCM下運行的反相降壓-升壓轉換器,熱回路由CINC、Q1和D1構成。與降壓和升壓拓撲中的熱回路相比,反相降壓-升壓拓撲的熱回路包含位于輸入和輸出端的組件。在這些組件中,當控制MOSFET開啟時,二極管(或者,如果使用同步MOSFET,則為體二極管)的反相恢復會生成最高的di/dt和EMI。由于需要全面的布局概念來考慮控制這兩個方面的輻射EMI,所以您肯定不希望通過低估在高輸入和/或輸出電壓條件下所需的反相降壓-升壓電感,通過過大的線圈電流紋波生成額外的輻射EMI。對于依賴自己所熟悉的升壓拓撲來確定反相降壓-升壓電路電感的工程師來說,他們會面臨這種風險,我們可以通過比較這兩種拓撲看清這一點。
高壓反相降壓-升壓拓撲的設計考量
升壓拓撲和反相降壓-升壓拓撲生成的絕對輸出電壓的幅度要高于輸入電壓。但是,這兩種拓撲之間存在差異,可以通過CCM中各自的占空比(在公式1和公式2中提供)來突出顯示。請注意,這些都是一階近似值,未考慮通過肖特基二極管和功率MOSFET時產生的壓降等影響。
圖7. 反相降壓-升壓轉換器中,VOUT= –12V和–150V時占空比和線圈電流紋波與VIN的關系。
具有寬輸入電壓范圍和高輸出電流的應用
選擇電感
使用LTspice驗證我們的電感選擇
圖9. 使用LTspice仿真的LTC3896電路。
如圖10所示,應用的峰值線圈電流接近15.4A。獲得這個值后,可以選擇電流額定值足夠高的功率電感。
設計采用更高的輸出電壓時
圖11. LTC3863電路:VIN= 12V至40V,VOUT- = –150V,fSW= 320kHz。
結論
反相降壓-升壓拓撲的熱回路包含位于輸入和輸出端的組件,所以其布局難度要高于降壓拓撲和升壓拓撲。雖然與升壓拓撲有些類似的地方,但在類似的應用條件下,反相降壓-升壓拓撲的電流紋波更高,這是因為線圈是其唯一的輸出來源(如果我們忽略輸出電容)。
對于具有高輸入和/或輸出電壓的反相降壓-升壓應用,線圈電流紋波可能更高。為了控制電流紋波,與升壓拓撲相比,反相降壓-升壓拓撲會使用更高的電感值。我們通過一個實例展示了如何根據應用條件來快速調節電感。



原文標題:如何在高壓應用中利用反相降壓-升壓拓撲?
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