降压-升压DC/DC转换器设计方案

降压-升压 DC/DC 转换器是电源设计人员工具箱中最有价值的工具之一，用于处理各种电源转换方案。在这些情况下，由于非理想或多输入电源、瞬态干扰或充电和放电存储元件，输入电压可能会发生很大变化。单电感、非反相降压-升压转换器可无缝降压(降压)或升压(升压)输入电压并调节输出电压，无论输入高于、等于还是低于输出。降压-升压转换器的三路灵活性可以替代两个 IC(一个单独的降压转换器或一个低压差线性稳压器加一个升压转换器)，从而节省印刷电路板 (PCB) 上的空间/占地面积并简化材料清单(物料清单)。

这些转换器极大地延长了便携式系统的电池寿命，因为它们在调节输出的同时充分利用了电池的更多有用输入电压范围。在多个潜在电源的情况下，降压-升压转换器可用于专门的降压或升压模式，具体取决于电源。此外，在放电存储元件具有跨越所需固定输出的放电电压曲线的备用电源应用中，降压-升压转换器将执行两种操作模式。

应用条件因细分市场而异

除消费产品外，输入和输出电压范围可能因应用而异。例如，在汽车环境中，12V 汽车电池是所有电子产品的主要电源。但是，在冷启动期间，标称 12 V 可能会下降至低至 3 V，或在负载突降情况下会飙升至接近 40 V(受 transorb 限制)。

在工业应用中，标准电源总线电压为 24 V 或 12 V;此外，通常会遇到持续时间从几微秒到数百毫秒的高压电源尖峰。这些系统中的电子设备不仅必须经受住瞬态电压尖峰，而且在许多情况下，还必须在整个事件期间可靠运行。即使在严格的输入电压条件下(就像汽车环境一样)，工业和军事/航空航天系统也需要宽泛的工作温度范围和稳定的电力输送到必要的下游电子设备。

此外，航空电子设备、军事和航空航天环境具有标准电源轨，但也可以通过各种电池配置和太阳能电池板运行，因此需要能够处理非常宽输入电压范围的电源。一些应用程序需要接受许多不同的输入源，以便任何能源都会自动为系统供电。例如，许多军事应用必须接受不同类型的电池、适配器甚至太阳能电池板来提供电力。

由于这些系统需要多个经过良好调节的电源轨，因此低压轨通常由降压稳压器或低压差稳压器 (LDO) 供电。但是，对于为传感器和各种模拟功能(运算放大器、电机或收发器)供电的稳定中高电平 12V 和 24V 电源轨存在要求。其中许多都需要降压和升压转换，具体取决于电源总线电压电平或系统配置。升降压转换器(在某些情况下，具有太阳能功能)提供了调节各种输入源输出的灵活性，最大限度地减少了设计中的电源转换器数量，从而简化了 BOM。

电源转换设计挑战

过去，需要降压和升压模式操作的设计已经通过使用多个电源转换器来解决，其典型问题是 PCB 面积、尺寸、更高的成本、更大的复杂性、更低的可靠性、更高的静态电流(I Q )，以及较低的转换效率。单端初级电感转换器 (SEPIC) 等替代拓扑虽然比多个电源转换器简单，但其效率比同步降压-升压转换器低约 10%，并且需要两个电感器和一个大电流耦合电容器，从而增加复杂性和潜在噪音以及电池寿命缩短。

降压-升压转换器中的升压模式操作存在一系列独特的挑战，尤其是在升压转换器关闭或电源初始应用期间。传统升压转换器具有从 V IN 到 V OUT的电流 通过电感器和升压二极管的直接路径。当电源施加到 V IN时，升压转换器的这一方面可能会导致很大且可能具有破坏性的浪涌电流 ，从而使 V OUT保持部分供电， 当电源转换器关闭时， 二极管压降低于 V IN 。

然而，ADI 公司的许多降压-升压转换器都提供了其四开关架构固有的输出断开功能。因此，在最初向 V IN供电时，降压-升压转换器的输入电流保持在控制之下，在 V OUT上电时逐渐从零上升到电流限制水平 。关闭时，降压-升压转换器将 V OUT 与 V IN完全断开 ，以便 V OUT 可以安全地放电至零。

较新但成熟的磷酸铁锂电池化学成分可实现更长的运行时间，但它们的电压放电曲线延长，在电池电压低于 3 V 时可提供大量能量。这一特性会影响相关的电源转换系统，因此需要同步升降压稳压器产生 3 V 或以上的输出，这在包括工业在内的许多系统中很常见。

一些使用超级电容器的备用应用更适合使用可运行至极低输入电压的降压-升压转换器。例如，一组电容器(超级电容器、电解电容器等)被充电到某个电压水平。如果电源出现故障，下游降压-升压转换器可以保持输出调节，因为它的好处是允许使用电容器中的所有能量。这可以减少应用中所需的电容数量(减少电容和电路板面积)。

然而，更现代的转换器仍需要 2.x V 的输入电压才能运行。因此，如果用户想要从低于 2.x V 的输入中获取电力，则需要使用一些技巧(反馈等)。许多 DC/DC 转换器无法做到这一点。

解决其中许多问题的一些产品包括 ADI 公司的降压-升压转换器。对于需要 40V 能力的输入，LTC3115-1/-2 和 LTC3114-1 非常适合。对于高达 15V 的输入电压，可以使用 LTC3111、LTC3112 和超低静态电流 LTC3129。近期的 LTC311x 系列产品将把输入电压能力扩展到 18V，并在降压模式下支持 5A 的输出电流。

尽管如此，业界仍有一个尚未解决的空白——一种与 12V/24V 系统兼容的降压-升压 DC/DC 转换器，该转换器还具有高达 600mA 的中等输出电流、低电压运行启动后，超低静态电流。

选择降压-升压转换器的主要考虑因素

解决上述问题的降压-升压解决方案应具有以下属性：

在宽输入/输出电压范围内工作

足够的输出电流能力

超低智商

低输出噪声/纹波

高效运行

在升压模式下工作时输出断开

所需的外部元件最少，易于设计

优良的热性能

满足这些需求的一些示例包括 Analog Devices 的 LTC3130 和 LTC3130-1。这些 25V 输入和输出额定值的单片同步降压-升压转换器可在降压模式下提供高达 600mA 的输出电流，并提供极低的 1.2µA 空载静态电流(见图1)。每个器件都提供 2.4V 至 25V 的输入电压范围和 1V 至 25V 的输出范围(LTC3130 是可调的;参见图 2)，并提供一个输入高于、低于或等于输出。一旦启动，这些器件只有 0.6V 的典型输入电压要求。用户可选择的突发模式操作可将静态电流降低至仅 1.2 µA，从而提高轻负载效率并延长电池运行时间。

图 1：LTC3130 典型应用原理图和特性。

图 2： LTC3130 的V OUT反馈分压器方程和原理图。

LT3130 还提供 EXTV CC 功能。 如果 >3 V(范围：3 V 至 25 V)，则设备的 EXTV CC为 IC 供电。

LTC3130/-1 的专有降压-升压拓扑在所有工作模式下提供低噪声、无抖动切换，非常适合对电源噪声敏感的 RF 和精密模拟应用。这些器件还包括可编程最大功率点控制 (MPPC) 功能，确保从光伏电池等非理想电源提供最大功率。

LTC3130-1 共享 LTC3130 的所有特性，但提供四个用户可选择的固定输出电压 — 1.8 V、3.3 V、5 V 和 12 V — 消除了可调输出版本所需的电阻分压器 (参见表 1 )。

表 1：LTC3130-1 的 V OUT 程序设置。

LTC3130/-1 具有足够的电压裕度来处理 1 个串联至 6 个串联锂电池输入系统和受大噪声尖峰影响的标称 12V 系统以及为 24V 传感器供电的能力。保证的最小 660mA 电感器电流限制提供升压模式输出电流能力，特别是对于必须在低输入电压下工作的 24V 传感器，例如 3.3V 或 5V 电池。

LTC3130/-1 包括四个内部低 RDS ON N 沟道 MOSFET，以提供高达 95% 的效率。转换器启动可以通过能够提供低至 7.5 µW 的电源实现，这使得 LTC3130/3130-1 非常适合由弱电源供电的应用，包括薄膜太阳能电池。或者，可以禁用突发模式操作，提供低噪声连续开关。LTC3130/-1 的恒定 1.2MHz 开关频率确保了低噪声和高效率，同时最大限度地减小了外部组件的尺寸(见图3)。内置环路补偿和软启动可减少外部部件数量并简化设计。

图 3：LTC3130/-1 的效率为 94%，适用于 14.4 V IN 至 12 V OUT ，电流为 200 mA。

24-V 传感器应用

图 4 突出显示了电池供电的 24-V 传感器电源。传感器的电源由高可靠性、长寿命的锂亚硫酰氯原电池提供。为了最大限度地延长使用寿命，传感器仅在短暂的时间间隔内激活，激活之间的时间间隔很长，在不活动时恢复到接近零的功率状态。

图 4：电池供电的 24V 转换器，具有 200mA ILIM 以限制电池电压下降。

使用 LTC3130 的 200mA 输入电流限制选项 (ILIM 引脚 = GND) 以最小化传感器被激活时从高输出阻抗锂亚硫酰氯电池获取的峰值电流，从而进一步延长了电池。LTC3130 通过在长时间空闲期间将其 RUN 引脚驱动为低电平来关断，仅从 24V 输出汲取 1µA 电流。

传感器还与 24V 电源轨断开连接或关闭，以最大限度地减少长时间空闲期间 24V 输出电容器的放电。以这种方式保持 24V 输出，传感器可以快速上电，进行所需的测量，然后再次断电，而无需等待 24V 电源轨充电。在传感器正常运行期间，该 DC/DC 转换器可实现高达 83% 的效率。

结论

单电感器、同相降压-升压转换器是一种极其灵活且有价值的电源组件。MPPC 和 EXTV CC等灵活性和功能 支持一系列独特的供电方案，非常适合解决各种应用中的问题。

    审核编辑：汤梓红