是否存在实现 DC/DC 电压转换的通用工具?

时间:2019-10-30 14:01来源:21Dianyuan

摘要:本文探讨了降压-升压转换器能否成为电压转换的理想解决方案以及是否可以成为用于任何类型DCDC电压转换的通用工具。

大多数应用或子电路都需要在一定的电压容限范围提供恒压电源,以保证正常运行。电池驱动的应用(如无线传感器和个人手持设备)需要在电池放电且电压随之下降时通过电压转换来产生所需的输出电压。如果可用的电源轨不适合所需的输入电压,或者电压变化超出所需的容差范围,则由固定电源轨供电的应用(如光学模块、有线传感器、有源电缆或加密狗)也可能需要电压转换。

本文探讨了降压-升压转换器能否成为电压转换的理想解决方案以及是否可以成为用于任何类型DC/DC电压转换的通用工具。

何时使用降压-升压转换器
通常来说,如果一个电路或子电路的可用电源电压低于所需电压,则升压转换器可以有效地将直流电压转换为更高的电压电平。如果可用的电源电压高于所需电压,则降压转换器会执行电压转换。
而降压-升压转换器适用于电源电压范围高于和低于所需输出电压的应用。降压-升压转换器由一个降压转换器和一个升压转换器组成,图1所示的框图更清晰地反映出了它的结构。


1:降压-升压转换器框图
 
降压-升压转换器将降压转换器(图1中的绿色部分)与升压转换器(图1中的橙色部分)合并在同一结构中,从而可以有效地升高和降低输出电压。控制环路可以根据实际的输入电压和编程设定的输出电压来决定设备是否需要在降压或升压模式下运行。

例如,假设要使一个典型电压范围为4.2V到2.8V的锂离子电池提供3.3V的输出电压,如果使用降压转换器,那么电池的截止电压必须大于3.3V,缺点则是无法有效利用电池中存储的电能。而降压-升压转换器有助于充分利用电池的所有电能,因为当输入电压等于或低于3.3V时,降压-升压转换器还可以消耗存储的电能,如图2所示。


2:降压-升压转换器可以完全耗尽电池的电能
 
将降压-升压转换器用作电压稳压器
降压-升压转换器的第二个常见用途是用作电压稳压器。如果电源轨有变化(如3.3V±10%变化),而负载需要更精确的调节电压(如3.3V±5%容差)时,那么就需要一个可以稳定电压的降压-升压转换器。如果元件对电源电压敏感(例如光学模块中的跨阻放大器);如果其他DC/DC预调节器在工业应用中调节不够严密;或者如果电源路径中的其他元件(如电熔丝、负载开关或长电缆)根据电流增加电压变化,则可能需要更严格地调节电压。只用升压转换器或降压转换器不能解决此问题。然而,降压-升压转换器能够将不断变化的输入电压调节到所需的更严格的限值。图3所示为TPS63802对快速±0.5 V/10 µs线路做出的瞬态响应,带有明显小于±0.1V输出电压下冲/过冲。
 

3TPS63802VI = VO = 3.3V, ΔVI = ±0.5V时的线路瞬态响应
 
降压-升压转换器的其他应用
还有其他的原因选择降压-升压转换器,而不是单纯地选择降压转换器或升压转换器。其中一个原因是功率ORing。想象一下婴儿监控器这样的设备,它由一个5V的USB壁式适配器或两块AA主电池供电,电压变化范围为3V(电池崭新时)至1.6 V(电池耗尽时)。只有降压-升压转换器可以承受从5V(壁式适配器)到1.6V(未连接壁式适配器且电池已耗尽)的宽输入电压范围,并且仍然为系统产生3.3V电源轨。除了降压-升压转换器,您只需要两个外部二极管就可避免从壁式适配器流向电池的交叉电流,并在拔出壁式适配器时无缝切换到电池。

降压-升压转换器的限制
当输入电压接近输出电压时,降压-升压转换器的内部控制环路通常被设计成可以在降压和升压模式之间不断切换。这样的运行方式可以让人接受,但仍具有一些缺点:模式切换可能会产生不同的开关频率、更高的输出电压纹波和更多的电磁干扰(EMI)。第二个负面影响就是此时的效率可能略有下降。

为了避免模式切换的负面影响,可以寻找具有专用的降压升压模式、且可使输出电压纹波保持在低水平的设备。例如,TI新推出的降压-升压转换器,其降压-升压模式和磁滞特性可避免在易滤除的噪声频谱和较低的EMI之间发生切换。

降压升压器件能处理所有类型的电压转换吗?
由于降压-升压转换器“包含”一个降压转换器和一个升压转换器,可以用它来进行DC/DC电压转换。所以从这个角度来说,答案是肯定的。但仍需考虑更多细节。表1说明了给定的输入电压范围与所需的输出电压,以及降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器能否成为出色的解决方案。


输入/输出电压 升压转换器 降压转换器 降压-升压转换器
VIN始终高于VOUT 不工作 理想拓扑 工作,但在效率(导通电阻存在于导电路径中的集成晶体管)、解决方案尺寸(需要更多的硅面积)和静态电流消耗方面可能存在缺陷。
VIN始终低于VOUT 理想拓扑,但需要特定的设置以在禁用时断开蓄电池与负载的连接。 不工作
VIN高于或低于VOUT 不工作 不工作 理想拓扑
串联的升压和降压转换器:工作,但在效率、解决方案尺寸、无源元件大小和成本方面存在缺陷
 
1DC/DC转换拓扑概述
让我们回到最开始的问题:是否存在实现DC/DC电压转换的通用工具?其实并不确定。当不需要降压-升压转换器时,致力于大容量产品开发的模拟设计人员将更喜欢专用升压或降压转换器的性能优化。然而,致力于小体积产品开发的设计师可能会认为,某些方面的取舍是值得考虑的。


采用降压-升压转换(到降压-升压、降压和升压)可以带来以下好处:
• 跨项目扩展,不仅节省时间,还可以降低设计风险。
• 可以不同DC/DC转换器的数量减少到一个易于使用的降压-升压转换器的列表中。
• 可以简化采购程序,减少库存的复杂性,提高价格杠杆作用和供应稳定性。
• 降压-升压可以在关机期间断开负载与电源的连接,而其他拓扑可能需要额外的负载开关。

其他资源
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• 借助工具并结合使用TI的新型降压-升压转换器进行您的设计吧。
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