应用与移动设备设计的降压-升压设计解决方案

从根本上说，有两种常见的拓扑结构可以将源电压更改为负载所需的电压。降压调节降低输入电压，而升压则是升压拓扑结构。然而，许多移动或电池供电的应用需要第三种选择，即降压 - 升压。在这种情况下，输入电压可以从高于低于输出负载所需的电压。

代表这种需求的一个很好的例子是由锂离子电池供电的移动设备，其电压可以从低于3V变化到4V，而设备电路中的大多数IC的工作电压是3.3V。某些移动应用需要更低的电压，因此必须使用两个碱性或镍氢（NiMH）电池。与锂离子电池一样，碱性电池和镍氢电池输出的电压也可以变化±10％。而且，这种系统中的负载可以从睡眠/空闲模式快速变化到激活模式，此时必须传送电路所需的规定的稳压电压。

当电路必须调节非常接近指定输出电压的输入电压时，设计降压 - 升压转换器变得具有挑战性。多年来已经开发了许多电路，通过降压和升压拓扑共享许多通用元件，如图1所示。

图1：基本降压（a）和升压（b）拓扑。

虽然反相降压 - 升压是最简单的电路，提供极性与输入相反的输出，但是可以使用电荷泵，反激式或单端，初级电感耦合来实现非反相拓扑（ SEPIC）拓扑结构。然而，这些电路的缺点是它们的性能可能有限。

例如，电荷泵提供简单，低成本的解决方案，但通常限制在几百毫安（mA）。反激式需要昂贵的耦合电感器，专门为应用而缠绕，并且本质上是有噪声的。同样，SEPIC提供的效率更低。尽管随着单片电容器的发展，SEPIC转换器的效率最近有所提高，但由于电感器的损耗，它仍然会降低效率。此外，它的成本更高，其尺寸对移动应用程序而言并不具吸引力。

H桥降压 - 升压

另一种选择是H桥降压 - 升压电路1。本质上，它只是一个降压和升压共用一个电感，如图2所示。在这个解决方案中，降压部分的二极管已被同步FET（S2）取代，以提高效率。 FET（S4）取代升压部分中的二极管。由于这些FET可以轻松集成，因此H桥降压 - 升压解决方案非常小巧，设计简单，只需要两个外置的现成电容器（Cin和COut）和电感器。

图2：带有一个电感的基本H桥降压 - 升压电路。

除了简单性之外，H桥还具有高效率，高负载电流能力和良好的线路瞬态响应。此外，它需要很少的静态电流。另一方面，它必须具备决定是以降压，升压还是降压 - 升压模式工作的能力。这些工作模式与器件转换速度之间的转换点对于维持稳压输出电压至关重要。

为了满足这些需求，Intersil等供应商利用H桥架构开发了集成降压 - 升压稳压器，如ISL9110和ISL9112，代表了最先进的解决方案。 ISL9110和ISL9112都是高度集成的降压 - 升压开关稳压器，可接受高于或低于稳压输出电压的输入电压。它们还可以在不显着的输出干扰的情况下在工作模式之间自动转换。由于采用完全同步的四开关架构，两个稳压器均能够提供高达1.2 A的输出电流和卓越的效率。空载静态电流仅为35μA。 ISL9110专为独立应用而设计，支持3.3和5 V固定输出电压或可变输出电压，并带有外部电阻分压器。事实上，使用外部电阻分压器可以实现低至1 V或高达5.2 V的输出电压。

使用ISL9110的典型应用电路，输入范围为1.8 V至1.5 V，输入范围为1.8至5.5 V，如图3所示。注意，如图所示，只需少量外部无源器件即可完成此设计。此外，2.5 MHz开关频率进一步减小了外部元件的尺寸。

图3：集成降压 - 升压转换器仅需少量外部无源元件即可完成3.3 V/1 A输出的设计，输入范围为1.8至5.5 V.

图4中绘制的效率曲线表明，该设计经过优化，即使在轻载条件下也能提供高效率。高负载条件下的典型功率转换效率超过90％。

图4：降压 - 升压转换器ISL9110经过优化，即使在轻负载条件下也能提供高效率。

与ISL9110不同，ISL9112具有I2C接口，可实现输出电压的可编程性。它还控制输出电压转换的变化率。 ISL9112的可编程输出电压范围为1.9至5 V，非常适合需要动态变化电源电压的应用。可以选择可编程压摆率，以在输出电压设置之间提供平滑过渡。

德州仪器是另一家供应此领域的供应商。与Intersil一样，TI的单电感降压 - 升压转换器在片内集成了四个功率MOSFET，以节省空间并在两种工作模式之间无缝转换。例如，TPS63060和61为由三节高达六节碱性电池，镍镉电池或镍氢电池供电的产品或单节或双节锂离子或锂聚合物电池提供电源解决方案。该器件的输入电压范围为2.5至12 V，输出电压范围为2.5至8 V.输出电流可高达2 A，同时使用双节锂离子或锂聚合物电池并将其放电至5 V或更低。降压 - 升压基于固定频率，脉冲宽度调制（PWM）控制器，使用同步整流来获得最大效率。它采用10引脚SON PowerPAD封装，尺寸为3×3 mm。

对于非常宽的输入，TI提供TPS55065，一种开关模式降压 - 升压稳压器，集成开关，用于电压模式控制。由于几乎没有外部无源元件，转换器可在1.5 V至40 V的宽输入电压范围内将输出调节至5 V±3％。它可提供高达500 mA的输出电流。

凌力尔特公司的输入和输出电压非常宽，其LTM4609是一款高效率（高达98％）开关模式降压 - 升压型DC/DC转换器。开关控制器，功率FET和支持组件包含在单个LGA封装中。它的工作输入电压范围为4.5至36 V，支持0.8 V至34 V的输出电压范围，由电阻设置。这种高效μModule设计可在升压模式下提供高达4 A的连续电流（降压模式下为10A）。只需要一个电感，检测电阻，大容量输入和输出电容即可完成设计。