1.1 升降压变换器的应用，实现方式和拓扑

今天我们所讲的培训内容是 了解 Non-inverting 的 升降压 DC/DC 变换器 那这里的 Non-inverting 指的是输入正，输出也是正的变换器 本次培训的 Agenda 如下 我们首先介绍升降压变换器 包括传统的升降压变换器的应用 以及它实现的方式 各种升降压变换器的拓扑上的优缺点 第二部分我们将重点介绍 四开关升降压变换器 包括它的基本的拓扑的工作方式 如何去设计四开关升降压变换器 以及如何去实现一个好的 Layout 那么我们接下来来看第一部分 升降压变换器的应用 包括它的应用场合以及它的常见拓扑 那何种场合需要升降压变换器呢 我们可以看到以下三种场合 需要用到升降压变换器 第一种场合是输出固定输入可变的场合 通常我们看到以下三种场景 是经常可以用到升降压变换器的 第一种场景的电池 从它的满充状态持续给负载供电 直至它的电压到最低输入电压 第二种场景是汽车的冷启动的时候 第三种场景则是指这个电源 通常是由 AC 来供电的 电池作为一种备份电源 到 AC 掉电的时候给负载供电 第二种场合是指输出可变输入固定的场合 通常来说我们经常看到以下三种场景 第一种是由 GaN 或 Silicon 来作为 Power Amplifier 的这种 PA 供电 第二种场景是指固定恒流源的 LED 驱动 第三种场景则是我们经常看到的 USB Type-C 的 PD 第三种场合则是前两种场合的混合 那是指输入可变输出也是可变的这种条件 那么我们经常看到的以下两种场景是会用到 第一种是汽车车用的 USB Type-C 的 PD 第二种场景则是这种 Adaptive 的 PA 由电池来供电的场景 会用到升降压的变换器 那在这张 PPT 里面 我们则涵盖了刚才介绍的三种场合 第一种工业用的 PC 工业用的 PC 通常是由 AC 供电 它的电压范围在 15 到 36V 而当 AC 掉电的时候，则由电池供电 电池的电压是 6 到 13V 这个时候我们可以看到 是一个 6 到 36V 的输入范围 那输出就需要一个12V 功率从 60W 到 200W 这个时候就需要一个升降压的变换器 第二种场景 我们可以看到在汽车起停的时候 这时电压通常会掉到 6V，甚至到 3.5V 这个时候如果需要维持一个 12V 的输出 那么就需要一个升降压的变换器 把电池电压从 6V 甚至到 12、18V 稳定在 12V 功率则是 60W 到 120W USB PD 在汽车上通常是 一个 9V 到 16V 的电压 那这个时候它就要输出 5V、12V 甚至 20V 功率从 10W 到 100W 的时候 就需要一个升降压的变换器 从而能达到在输入电压可变 或输出电压可变的条件下 都能达到功率的要求 第四种情况 则是工业或者电池用充电的条件 通常来说是一个 12V 或 24V 的输入 那需要恒流或者恒压地控制到 200W 左右 这种场合呢 我们也是需要一个升降压变换器的 接下来我们将会介绍几种 常见的升降压的拓扑 以及它的优缺点 第一，那就是我们最常用的 级联型的 Boost 再加上 Buck 如右图所示，第一级是由 Boost 把 Vin 升到一个比 Vo 还要高的电压 再通过第二级的 Buck 降到一个合适的输出电压 那它的好处是 第一，对 Boost 和 Buck 的控制器来说 你有非常多的选择 第二，两种拓扑都比较简单 在输入和输出端 我们都可以看到有 Boost 的输入电感 和 Buck 的输出电感 因此两端的输入和输出的 纹波电压和纹波电流都比较小 第四个优势呢 是我可以做到多路输出的这种特点 也就是说一个 Boost 可以带三到四个 Buck 从而做到三到四路的输出 那它的缺点也显而易见 第一，它有两个电感 第二，它需要一个 Boost 加一个 Buck 的控制器 因此它的 Cost 相对来说会比较高 同时它的 Solution Size 也会比较大 最后一点 相对来说 Boost 和 Buck 的效率 如果两个都是 0.9 的话 那整机的效率就只有 81% 左右 因此它的损耗会比较高，效率会比较低 第二种常见的升降压变换器 我们来介绍 SEPIC 从右图所见 首先我们说 SW1 和 SW2 中间的 隔直电容上的电压是 Vin 因为根据电感伏秒积等于零 那么我们可以看到 中间的隔直电容上电压是等于输入电压 那么当占空比 D 来的时候 MOS 管导通 这个时候，两边的电感同时被激磁 两端的电感电流同时上升 当开关管关掉的时候 二极管导通，则两端的电感同时被去磁 可以看到节点 SW1 和 SW2 是两个电感电流之和 也可以看到 SW1 和 SW2 电压应力 这是 Vin 加上 Vo 那它的优势也很明显 第一，我只需要一个开关管 同时我的主管是对地驱动的 因此它有非常多的控制器可以选择 同时我们可以看到 在输入端有一个电感 因此它的输入的噪声是比较小的 那它的缺点也非常明显 第一是需要一个隔直的电容 第二需要两个电感 或者需要一个耦合电感 那它的效率通常来说 在大功率的时候不高 同时半导体器件需要承受 Vin 加上 Vo 的电压应力 和 Iin 加上 Io 的电流应力 最后一点，它在频域上 有右半平面零点的存在 Zeta 作为 SEPIC 的一种对偶的形式 它的整体的工作模式 以及它的电流电压应力 和 SEPIC 是极其相似的 那我们可以看到右图 相对应于 SEPIC 的 MOS 管是对地来说 Zeta 把 MOS 管换到了高侧区 那同时它的两个电感 都对应于 SEPIC 做了一定的对偶 这时候看到原来放在输入上的电感 到 Zeta 上面则变成了输出电感 那它的电压和电流应力 在最右边我们可以看到 和 SEPIC 是一样的 半导体器件上的电压应力 是 Vin 加上 Vo 而它的电流应力则是两个电感电流之和 那唯一有点区别的就是 SW1 和 SW2 中间的隔直电容的 DC 电压是等于 Vo 而 SEPIC 是等于 Vin 那它的优缺点和 SEPIC 是比较类似的 第一它的优点是 只有一个开关管在整个拓扑中 那么我们可以用一些 比较 Low-cost 的 PFET 的控制器 来控制这个开关管 同时我们可以看到 它在输出端有一个电感 因此它的输出的 Noise 是比较小的 那它的缺点也一样 它需要一个隔直电容在整个拓扑中 去承担这个能量传递的角色 同时它有两个电感的存在 或者是要有一对共耦电感 它的效率通常来说也不高 对于它的电压和电流应力和 SEPIC 一样 都是 Vin 加 Vo 和 Iin 加上 Io 同时它有存在右半平面的零点 那这就是我们的 Zeta 变换器 我们第四种要介绍的升降压变换器 是反激变换器 那把隔离的反激的副边 与原边的地连接在一起 它就可以形成一个非隔离的升降压 它的优点也显而易见 首先在整个拓扑里面 它只有一个开关管和一个二极管 那开关管因为是对地驱动 因此有非常多的 PWM 控制器可以选择 除此之外，相对于 SEPIC 和 Zeta 它没有隔直电容 因此利用更大的变压器 它可以提供更大的功率 那它的缺点有以下几条 第一，它的变压器需要耦合度非常好 那它的电压应力是 Vin 加上 N 倍的 Vo 当 N 比较大的时候 它原边的电压应力也会比较高 第三点，它的效率在高功率 或者低输入电压条件下通常不高 因为它的原边和输入和输出 都没有滤波电感 因此它的输入和输出的 Noise 和 Ripple 都会比较大 除此之外，在 SW1 和 SW2 它都有比较高频的振荡 以上四种是我们最常见的升降压变换器 那接下来我们会介绍 TI 独有的升降压变换器 首先我们介绍的是 两开关的单个电感的升降压变换器 那它是用我们独有的 LM5118 芯片组成 它的优点是简单的设计 单个电感，在 Vin 高于 Vo 的时候 它是工作在一个纯 Buck 的状态 当 Vin 低于或等于 Vo 的时候 它是工作在一个 Buck-Boost 的状态 因此它在升降压的时候 是处于两个开关管同时工作的 这种工作状态 它的缺点是 第一，它是一个非同步整流的 因此二极管的存在 限制了它的大功率的应用 其次，它的开关管的电流 当 Vin 小于 Vo 的时候 我们可以看到在电感中 它的 DC 分量是 Iin 加上 Io 因此当 Vin 小于 Vo 的时候 它的电流的应力会比较大 同时输出二极管的 Power Losses 始终存在 无论它是工作在 Buck 还是 Buck-Boost 的状态 那同时由于 LM5118 需要用 单个的环路去控制 它在 Buck 和 Buck-Boost 的稳定性 因此它整个环路会基于 Buck-Boost 来设计 而 Buck-Boost 的右半平面零点 会限制它的环路的快速性 因此它整体的环路响应是不快的 那最后我们是介绍 基于 LM5175 的四开关的 单电感的升降压变换器 右图上来看 LM5175 连接四个 MOS 管 以及 L1 这一个单电感 形成一个升降压的拓扑 那么它工作在两种模式 一种是 Buck Mode 和一种 Boost Mode 那在输入和输出电压比较靠近的时候 它会处于一个 Transition Mode 也就是说 Buck-Boost Mode 那这里的 Buck-Boost Mode 有别于 LM5118 的 Buck-Boost 那它是间歇工作在一个 Buck 或者一个 Boost 交替工作这么一个状态 我们叫它 Buck-Boost Mode 它的优点也显而易见了 可以看到在整个拓扑里面 它只有一个 L1 就是一个单电感 那么在 Vin 工作在比较高的时候 它工作在 Buck 模式 可以看到，其实就左边的开关管在开关 那么当它工作在 Boost Mode 也就右边的开关管在开关 因此它整体的 Switch Loss 会比较小 同时看到整个半导体器件里面 都是用 MOS 管来代替原有的二极管 因此它可以工作在一个同步整流的状态 那么也可以看到在左边桥臂里面 上下两个开关管的 电压应力是 Vin 右边桥臂的上下两个开关管 电压应力是 Vo 当 Vo 较低的时候 对应的这个开关管的电压应力也会比较小 那它的缺点是 首先 LM5175 是个独特的控制器 市面上没有 pin to pin 的选择 其次可以看到 SW1 和 SW2 都是在 Switching 的 因此它对 PCB 的 Layout 有一个非常严格的要求 除此之外 整个环路会基于最慢的 Boost 来设计 因此它整个环路的响应不会太快 介绍完以上升降压的解决方案之后 我们来对比一下 不同拓扑升降压变换器的 电流和电压应力 首先我们来看一下 级联的 Boost 和 Buck 的这个拓扑 SW1 和 SW2 上的最大电压应力都是 Vin 因为当 Boost 二极管直通的时候 两个开关管上都是承受 Vin 的电压应力 而最大的开关电流则是 当 Vin 处于最低电压时候 Boost 上面的输入电感 流过最大的输入电流 此时的输入电流等于 Io 乘 Vo 除以 Vin 那同时可以看到 IL1 也就是 Boost 的电感的电流应力最大 就等同为最大的 ISW 的电流应力 对于 Buck 来说 L2 所流过的电流就是 Io 再看一下 SEPIC 和 Zeta 我们刚才已经介绍过 SEPIC 和 Zeta 上面的最大电压应力 就是 Vin 加上 Vo 那它走过的最大电流就是 Iin 加 Io 独立两个电感来看，左边的 IL1 它走过的最大电流 就等同于 Iin 也就是 Io*Vo/Vin 那右端的 IL2 走过的电流就是输出电流 相当于 Iout 对于反激来说 如果我们认为匝比 NT 是等于原边的匝数除以副边的匝数 则可以看到 MOS 管上最大的电压应力 是 Vin+Vo*NP/NS 也就是副边的电压折算到原边的 加上原边的输入电压 则是 MOS 管上最大电压应力 最大的电流应力是来自于 当输入工作在最低输入电压的时候 这个时候 Iin 是最大 然后再加上 副边的电流折算到原边的这个值 就等于 Iin*[1+NS*Vin/(NP*Vo)] 这就是最大的 SW 上面的电流应力 那原边 IL1 最大电流应力 其实就相当于 Iin 加上匝比折算过来的 Io 就等同于式中的这个公式 那 IL2 也就是副边的电感的最大电流应力 就相当于 Io 加上 Iin 通过匝比 折算到副边的这个电流应力 也如同于公式中的所示 对于 5118 这个两个开关管的升降压来说 左侧的 SW1 的最大电压是 Vin 右侧的 SW2 的最大电压应力是 Vo 那 SW 上最大的电流应力 则来自于当它工作在 Buck-Boost 状态的时候 它的电流是等于 Iin 加上 Io 那对于这个电感来说 它其实等同于这个最大的 Isw 的这个电流 它也相当于 Io 加 Iin 我们这边做了一个简单的对换 那它的电流应力就等于 Io*(Vo/Vin+1) 对四个开关管的升降压来说 它不是工作在一个 Buck 就是工作在一个 Boost 的状态 因此 SW1 上最大电压应力是 Vin SW2 上最大电压应力是 Vo 那 SW 上的最大电流应力是 当我的 Vin 工作在最低电压的时候 它等于 Io*Vo/Vin 那 IL1 就等同于 SW 电流应力 它们是两个相同公式一样的 那么以上就是我们 对升降压变换器的应用场合以及它的拓扑 做了简单的介绍和对比 谢谢大家的收听和观看，谢谢