集成電路芯片設計降壓-升壓電源電路
在本系列文章中，我們將介紹您可能在電子項目中使用的主要類型的電源穩壓器和轉換器的設計和實現。我給了一位研究生工程師一系列要求，我指導他演示了每種類型，并在這里記錄了結果，以便您可以完成相同的練習，并希望得出相同的結果。
下一個開關穩壓器是我們面向學生的開關穩壓器系列中的最后一個。我的研究生工程師的設計要求是，即使電源電壓高于或低于所需的輸出，電源也應該能夠保持穩定的輸出電壓。換句話說，它應該能夠升壓和降壓電源電壓，以便為負載設備提供穩定的電源輸出。這種類型的開關穩壓器非常有用，特別是對于電池供電的設備或具有多個不同電源的設備，根據設定的條件或所需的工作模式進行切換。
我對這個設計的要求如下：
- 輸入電壓范圍3.0至4.2 V
- 輸出電壓3.3V
- 輸出電流200mA
可以使用多種拓撲結構通過一個穩壓器實現這種升壓和降壓操作。在本文中，我們將討論以下內容：
- 降壓-升壓轉換器
- SEPIC
?uk
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降壓-升壓轉換器是一種開關模式電源，在一個電路中同時使用升壓轉換器和降壓轉換器功能。升壓和降壓電路的組合可在很寬的輸入電源電壓范圍內提供穩定的輸出電壓。此外，升壓和降壓轉換器都使用非常相似的元件，這些元件根據所需的轉換器類型進行重新排列。
在上圖中，您可以看到兩種拓撲的相似之處。此外，同一電感可用于兩種拓撲結構：
在上圖所示的組合升壓-降壓轉換器拓撲中，您可以看到作為振蕩器、PWM和反饋控制器的控制單元能夠在升壓轉換器操作和降壓轉換器操作之間進行選擇。
降壓轉換器的操作
在降壓轉換器模式下，晶體管開關TR2關閉，晶體管開關TR1由方波PWM控制器使用高頻打開和關閉，如控制器的數據手冊中所述。
當晶體管開關TR1導通時，電流流過電感L，激勵其磁場，隨后對輸出電容C和輸出負載充電。肖特基二極管D1的陰極存在正電壓而關斷。
當晶體管開關TR1關閉時，電感L成為電流源，而其磁場坍縮，產生反電動勢，并反轉電感L兩端電壓的極性。這會使肖特基二極管D1導通，從而允許電流流過肖特基二極管D2流向輸出負載。
升壓轉換器的操作
在升壓轉換器模式下，晶體管開關TR1導通，晶體管開關TR2由方波PWM控制器接通和關斷。當晶體管開關TR2導通時，輸入電流流經電感L和晶體管開關TR2流向負電源端（地），使電感L的磁場通電。在周期的這一階段，肖特基二極管D2不能導電，因為其陽極被TR2晶體管開關保持在接地端的電壓，從而提供傳導路徑。
在此期間，輸出負載完全由電容器C保持的電荷提供，該電荷在先前的周期中充電。
當晶體管開關TR2為OFF時，電感L通電，電容C部分放電。在周期的這一階段，電感L產生反電動勢。EMF能量將取決于晶體管開關TR2打開和關閉時的電流變化率，也取決于電感。
此時，電感L兩端的極性反轉，反電動勢電壓現在添加到輸入電壓上，因此它現在高于或至少等于輸入電壓。肖特基二極管D2現在已接通，因此電路為輸出負載提供并對電容C充電，以便為晶體管開關TR2導通的下一個周期階段做好準備。
輸入和輸出之間的傳遞函數可以表示為：
SEPIC轉換器的操作
SEPIC或單端初級電感轉換器是一種轉換器，還可以降壓，升壓或向輸出負載提供等于電源的電壓。SEPIC轉換器的拓撲結構通?；谏龎恨D換器和反相升壓-降壓轉換器。這種類型的轉換器由于其效率和可靠性而在電池應用中很受歡迎。
當晶體管開關S1導通時，電流流過電感L1，流過L2的電流變為負。流經L1的能量來自輸入源。二極管D1導通，電容C1提供電力并增加流經電感L2的電流的幅度。這增加了存儲在其磁場中的能量，電流由電容器C2提供。
當晶體管開關S1為OFF時，流經電容器C1的電流等于流經電感L1的電流。由于電感器不允許瞬時電流變化，因此流經電感L2的電流仍將處于負方向。因此，當晶體管開關S1關閉時，輸出負載的功率由電感L1和L2提供。在此期間，電容器C1將由電感L1充電。
輸入和輸出之間的傳遞函數可以表示為：
?uk轉換器的操作
?uk轉換器（也稱為“雙電感反相轉換器”）是一種具有反激式拓撲結構的反相SEPIC轉換器。該轉換器與此列表中的其他轉換器類似，因為它能夠進行升壓和降壓操作。一旦晶體管開關打開，轉換器使用的能量就會轉移到電容器上。這意味著?uk轉換器電路中的主要儲能元件是電容器，這與大多數其他開關電源拓撲不同，其中主儲能元件是電感器。
該拓撲結構使用兩個獨立的電感器或稱為耦合電感器的單個元件。
?uk轉換器由兩個電感器、兩個電容器、一個晶體管開關和一個二極管組成。該轉換器是一種反相類型，這意味著輸出電壓相對于輸入電壓為負。
電容器C1用于傳輸高頻能量。它交替連接到?uk轉換器的輸入和輸出，位于并聯晶體管開關和二極管之間。兩個電感L1和L2用于將電壓輸入源E和電壓輸出源U轉換為電流源。在短時間內，電感器可以被視為電流源，因為它們能夠保持恒定的電流。用電流源（電感器）對輸出電容C2充電是一種防止阻性電流限制和相關能量損失的方法。
?uk轉換器可以在連續電流模式、不連續電流模式和不連續電壓模式下工作。
輸入和輸出之間的傳遞函數可以表示為：
反激式轉換器的操作
反激式轉換器是一種隔離式DC-DC開關轉換器，可以升壓或降壓輸入電壓。該轉換器使用電流隔離將輸出與輸入分開。分離電感用于形成用于這種隔離的變壓器。
您可以看到，反激式DC-DC轉換器的拓撲結構與升壓-降壓轉換器的拓撲結構非常相似。不同之處在于使用變壓器而不是電感器。這兩種轉換器類型的工作原理也非常相似。
當開關導通時，變壓器的初級線圈連接到輸入電壓源。這允許初級線圈中的電流增加，并且初級線圈周圍的磁場將能量存儲在變壓器中。在次級線圈中感應的電壓為負，這意味著二極管反向偏置，輸出電容為輸出負載供電。
當開關關閉時，初級線圈電流減小，磁場減小。次級線圈的電壓為正，電流流過正向偏置二極管，為電容器和輸出負載提供能量。
輸入和輸出之間的傳遞函數可以表示為：
還有其他類型的開關式DC-DC電源能夠升壓和降壓，但我們將把這些討論留到另一個時間。
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