如何配置降压转换器实现多输出

引言

电源电路采用电压步升（boost）或更常见的电压步降（buck） DC/DC转换器形式。现在很多应用都需要多个电压轨来驱动各种 IC。这些电压轨可以是反相或非反相、有隔离或没有隔离。尽管设计工程师一般使用多个降压转换器和单个滤波电感器，但是这种做法增加了成本、占位面积和厚度。有一种更简单的方法是，采用单个降压转换器和耦合电感器或变压器，将其配置为隔离式转换器拓扑。设计工程师可以使用降压转换器提供反相或非反相电压轨，可以将其配置为反相降压-升压转换器使用。耦合电感或变压器也可与降压-升压转换器一起使用，以生成具有升压/降压功能的多个反相或非反相输出。

本文将重点讨论各种隔离式/非隔离式 DC/DC转换器拓扑，并展示如何用单个同步降压转换器实现这些拓扑。我们还将探讨其他拓扑，并展示这些拓扑是如何适合各种应用的。

隔离降压

A. +/-降压输出

B. +/+降压输出

C. +/+/-降压输出

反相降压-升压（步升然后步降）输出

隔离式+/-降压-升压输出

三种DC/DC转换器拓扑

基于单个降压转换器生成各种转换器拓扑的优点是，不需要光耦合器及其相关电路。这可以缩小占板面积、减少元件数量、降低复杂度和成本。除了生成多个输出，降压转换器还可配置成反相降压-升压转换器，本质上提供了升压功能。此外，设计工程师还可以利用类似概念，创建隔离式降压-升压转换器。

1. 隔离式降压拓扑

A. +/- 降压输出：电路运行

用一个隔离式降压拓扑，可以生成反相和非反相降压输出。图1显示了这种拓扑如何为需要一个正电源和一个负电源的应用提供+/-输出轨。

图1. 同步降压稳压器利用隔离式降压拓扑生成± Vout轨

参照图1，主和次级输出由下列方程式给出，假定耦合电感或变压器的漏感和绕组的DC电阻可以忽略不计：

其中VIN是输入电压，VO1和VO2分别是主和次级输出，D是占空比，N是变压器匝数比，是二极管的正向压降。

在高压侧开关接通的周期中（图1中绿色箭头指示的电流），主电流斜坡上升，并将电量储存在变压器的磁化电感和主输出电容器中。二次侧的二极管反向偏置，二次侧的负载电流由输出电容器提供。

在低压侧开关接通的周期中（图1中红色箭头指示的电流），主电流斜坡下降，并释放变压器磁化电感中存储的能量，一次侧负载电流由输出电容器提供。二次侧的二极管正向偏置，电流从变压器流出供给负载，为二次侧输出电容器充电。在稳定状态下，假定二极管压降、变压器绕组电阻和漏感可忽略不计，二次侧输出电压与主输出电压成反比。图2显示了ISL85413 DEMO3Z +/-输出隔离降压演示电路板的工作波形。

图2. ISL85413DEMO3Z在VIN=9V、VO1=VO2=5V、IO1=IO2=100mA时的工作波形

B. +/+降压输出

仍然运用通过耦合电感器或变压器生成次级输出这个概念，但二次侧可以按不同方式配置，以生成正或负的次级电压。为了生成正次级输出，要将变压器/耦合电感器和二次侧二极管的极性反过来。图3显示了隔离式降压拓扑生成两个+VOUT轨。

图3.生成两个+ VOUT轨的隔离式降压拓扑（ISL85415DEMO2Z）

C. +/+/-降压输出

图4显示了生成3个输出（2个+VOUT和1个-VOUT轨）的隔离式降压拓扑。+/+/- 隔离降压演示电路板ISL854102DEMO2Z可用来展示这种拓扑。就多输出配置而言，必须考虑不同输出反射到一次侧的总电流，以确保该IC能够处理所生成的电流。

图4. 生成3个输出的隔离式降压拓扑：2个+VOUT和1个-VOUT轨（ISL854102DEMO2Z）

针对以上电路的方程式如下：

其中VO1是主输出，VO2和VO3分别是正和负次级输出，D是占空比，N1和N2分别是与VO2和VO3对应的变压器的匝数比。Vdiode是二极管的正向压降，IOUT1、IOUT2和IOUT3分别是由VO1、VO2和VO3生成的输出电流，Ids_pk是通过顶部开关的峰值电流，△i是主电感器纹波电流的三角部分。

2. 反相降压-升压（步升-步降）拓扑

可以从同步降压转换器派生出反相降压-升压转换器，连接方式为，将GND端子作为降压-升压转换器反相输出、将降压转换器的VOUT端子作为降压-升压转换器的GND。图5是将ISL85415降压转换器配置成反相降压-升压转换器的电路框图。

图5. 将ISL85415降压转换器配置成反相降压-升压转换器

输出电压和输出电流的方程式如下：

其中，VIN是输入电压，VO1是输出电压，D是占空比，IOUT是输出电流，IL是电感器电流。

在高压侧开关接通的周期中（图5中绿色箭头指示电流），电感器电流斜坡上升，将能量储存在电感器中，输出电容器向负载提供电流。在低压侧开关接通的周期中（图5中红色箭头指示电流），电感器电流斜坡下降，向负载提供电流，并为输出电容器充电。ISL85415EVAL2Z反相降压-升压电路板的工作波形如图6所示。

图6. ISL85415EVAL2Z在VIN=12V、VO=-5V、IO=-300mA时的工作波形

3. 隔离式降压-升压拓扑：+/- 输出

可以采用隔离式降压-升压拓扑实现±升压/降压输出电压。滤波电感器可以用变压器（或耦合电感器）代替，以得到正次级输出。图7显示了生成±升压/降压VOUT轨的隔离式降压-升压拓扑。图8显示了ISL854102DEMO3Z隔离式降压-升压稳压器电路板的工作波形。

图7. 隔离式降压-升压拓扑生成±VOUT轨

以上电路的电压和电流方程式如下：

其中VIN是输入电压，VO2是次级输出电压，Vdiode是二极管正向压降，D是占空比，N是变压器匝数比，Ids_pk是通过顶部开关的峰值电流，△i是主电感器纹波电流的三角部分，IOUT1和IOUT2分别是由VO1和VO2,生成的输出电流。

图8. ISL854102DEMO3Z在VIN=24V、VO1=VO2=5V、IO1=500mA、IO2=500mA时的工作波形

其他可能的隔离式降压转换器配置

堆叠正输出

在图3中，我们展示了一种双正输出的拓扑。要生成倍压器或2个不同的正电压，次级输出的负端子可以连接到正主输出上，如图9所示。

图9. 堆叠正输出转换器拓扑

双稳压和单个非稳压的正输出

低压差（LDO）稳压器可用来生成双稳压输出。图10显示了生成双稳压和单个非稳压正输出的配置。在这个配置中，次级侧的输出通过电阻分压器将次级输出连接到反馈来调节。 主输出电压使用LDO调节。

图10. 使用额外的LDO实现双稳压输出

适用于隔离式拓扑或其他降压转换器配置的应用

电气隔离和多输出应用在各种电源电子电路应用中很常见，如：电信，工业可编程逻辑控制器（PLC），工厂自动化，隔离式通信接口（即RS-485、RS-232），用于栅极驱动、传感器、运算放大器、电机驱动应用的偏置电源，以及需要正和负电压轨的任何应用。本节重点讨论几种应用，并解释如何运用各种拓扑。

1.放大器电源

双电源放大器比较常见，因为它效率更高，能够在不导致DC损耗的前提下复制输入波形。图11A显示了具有±12V轨的音频放大器，图11B显示了具有±5V轨的运算放大器。

图11A. 具有±12V轨的音频放大器（左图）

图11B. 具有±5V轨的运算放大器（右图）

为这类应用选择合适的拓扑时，需要考虑输入电压。例如，为以±12V轨运行的音频放大器供电，如果输入电源轨是24V，就选择隔离式降压拓扑。如果使用12V电池，就可以用反相降压-升压拓扑，以生成负压轨。如果使用5V USB、12V电池或绿色能源供电的系统，就应该采用隔离式降压-升压拓扑。图12说明了如何用各种拓扑给音频放大器供电。

图12A. 用隔离式降压拓扑提供24V输入电源

图12B. 输入电源为12V电池时，用反相降压-升压拓扑生成负压轨

图12C. 输入电源为5V USB或12V电池时，采用隔离式降压-升压拓扑

类似地，对以下应用中一些既需要正压轨、又需要负压轨的应用而言，根据不同输入电源轨，可以分别使用图12A、12B和12C所示的3种拓扑。

2. IGBT栅极驱动偏置

隔离式栅极驱动器一般用于大功率逆变器应用，包括UPS系统、电机控制、高密度放电（HID）灯镇流器和感应加热。其他应用包括AC和DC变速驱动、工业/太阳能逆变器和伺服驱动。图13显示了使用隔离式降压转换器的具有IGBT栅极驱动偏置的3相逆变器。

图13. 使用隔离式降压转换器、具有隔离式IGBT栅极驱动偏置的3相逆变器

3. 采用各种接口标准的线路驱动器、接收器/转换器/缓冲器

现在的电信和数据通信系统采用了各种接口标准。例如，射极耦合逻辑（ECL）、共模逻辑（CML）、低电压差分信号（LVDS）等，这些接口标准用在图形显示接口、通信设备的移动/服务器芯片组、消费类和移动应用中。类似扇出缓冲器、时钟驱动器、接收器等器件常常需要反相和非反相电源轨。

线路驱动器是用来驱动负载的电子放大器电路，如传输线。常常使用差分信号电路，因为这类电路抗噪声性能较高，能够更可靠地携带高比特率的信号，因此需要非反相和反相电源轨。

图14显示了LVDS/PECL驱动器至CML接收器接口的框图。

图14. LVDS/PECL驱动器至CML接收器接口的框图

4.工业自动化系统

可编程逻辑控制器（PLC）常常用在工业自动化系统中，用来控制制造流程。PLC由几种硬件系统元件组成，需要不同的电源轨。图15显示了PLC各种硬件构件的电源树。

图15. PLC各种硬件构件的电源树

应用总结

正如以上讨论的，根据不同的输入电压轨，设计工程师可以选择不同的拓扑，来提供适用于各种应用的电源轨。表1总结了适合不同应用的拓扑。

表1.适合不同应用的拓扑总结

结论

在本文中，我们展示了如何通过不同的电路配置，用同步降压转换器生成多个输出和反相输出。我们也为各种拓扑推荐了适合的应用。用一个同步降压转换器代替不同类型的转换器，帮助新手和专家级电源设计师简化了电源设计。这种做法还缩小了解决方案占板面积、降低了电路复杂性和物料成本并缩短了产品上市时间。