是否存在實(shí)現(xiàn)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換的通用工具？

大多數(shù)應(yīng)用或子電路都需要在一定的電壓容限范圍提供恒壓電源，以保證正常運(yùn)行。電池驅(qū)動的應(yīng)用（如無線傳感器和個人手持設(shè)備）需要在電池放電且電壓隨之下降時通過電壓轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生所需的輸出電壓。如果可用的電源軌不適合所需的輸入電壓，或者電壓變化超出所需的容差范圍，則由固定電源軌供電的應(yīng)用（如光學(xué)模塊、有線傳感器、有源電纜或加密狗）也可能需要電壓轉(zhuǎn)換。

本文探討了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器能否成為電壓轉(zhuǎn)換的理想解決方案以及是否可以成為用于任何類型DC/DC電壓轉(zhuǎn)換的通用工具。

何時使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

通常來說，如果一個電路或子電路的可用電源電壓低于所需電壓，則升壓轉(zhuǎn)換器可以有效地將直流電壓轉(zhuǎn)換為更高的電壓電平。如果可用的電源電壓高于所需電壓，則降壓轉(zhuǎn)換器會執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換。

而降壓-升壓轉(zhuǎn)換器適用于電源電壓范圍高于和低于所需輸出電壓的應(yīng)用。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器由一個降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓轉(zhuǎn)換器組成，圖1所示的框圖更清晰地反映出了它的結(jié)構(gòu)。

圖1：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器框圖

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將降壓轉(zhuǎn)換器（圖1中的綠色部分）與升壓轉(zhuǎn)換器（圖1中的橙色部分）合并在同一結(jié)構(gòu)中，從而可以有效地升高和降低輸出電壓。控制環(huán)路可以根據(jù)實(shí)際的輸入電壓和編程設(shè)定的輸出電壓來決定設(shè)備是否需要在降壓或升壓模式下運(yùn)行。

例如，假設(shè)要使一個典型電壓范圍為4.2V到2.8V的鋰離子電池提供3.3V的輸出電壓，如果使用降壓轉(zhuǎn)換器，那么電池的截止電壓必須大于3.3V，缺點(diǎn)則是無法有效利用電池中存儲的電能。而降壓-升壓轉(zhuǎn)換器有助于充分利用電池的所有電能，因?yàn)楫?dāng)輸入電壓等于或低于3.3V時，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器還可以消耗存儲的電能，如圖2所示。

圖2：降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以完全耗盡電池的電能

將降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用作電壓穩(wěn)壓器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的第二個常見用途是用作電壓穩(wěn)壓器。如果電源軌有變化（如3.3V±10%變化），而負(fù)載需要更精確的調(diào)節(jié)電壓（如3.3V±5%容差）時，那么就需要一個可以穩(wěn)定電壓的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。如果元件對電源電壓敏感（例如光學(xué)模塊中的跨阻放大器）；如果其他DC/DC預(yù)調(diào)節(jié)器在工業(yè)應(yīng)用中調(diào)節(jié)不夠嚴(yán)密；或者如果電源路徑中的其他元件（如電熔絲、負(fù)載開關(guān)或長電纜）根據(jù)電流增加電壓變化，則可能需要更嚴(yán)格地調(diào)節(jié)電壓。只用升壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器不能解決此問題。然而，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒉粩嘧兓妮斎腚妷赫{(diào)節(jié)到所需的更嚴(yán)格的限值。圖3所示為TPS63802對快速±0.5 V/10 μs線路做出的瞬態(tài)響應(yīng)，帶有明顯小于±0.1V輸出電壓下沖/過沖。

圖3：TPS63802在VI = VO = 3.3V, ΔVI = ±0.5V時的線路瞬態(tài)響應(yīng)

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的其他應(yīng)用

還有其他的原因選擇降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，而不是單純地選擇降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器。其中一個原因是功率ORing。想象一下嬰兒監(jiān)控器這樣的設(shè)備，它由一個5V的USB壁式適配器或兩塊AA主電池供電，電壓變化范圍為3V（電池嶄新時）至1.6 V（電池耗盡時）。只有降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以承受從5V（壁式適配器）到1.6V（未連接壁式適配器且電池已耗盡）的寬輸入電壓范圍，并且仍然為系統(tǒng)產(chǎn)生3.3V電源軌。除了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，您只需要兩個外部二極管就可避免從壁式適配器流向電池的交叉電流，并在拔出壁式適配器時無縫切換到電池。

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的限制

當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部控制環(huán)路通常被設(shè)計成可以在降壓和升壓模式之間不斷切換。這樣的運(yùn)行方式可以讓人接受，但仍具有一些缺點(diǎn)：模式切換可能會產(chǎn)生不同的開關(guān)頻率、更高的輸出電壓紋波和更多的電磁干擾（EMI）。第二個負(fù)面影響就是此時的效率可能略有下降。

為了避免模式切換的負(fù)面影響，可以尋找具有專用的降壓升壓模式、且可使輸出電壓紋波保持在低水平的設(shè)備。例如，TI新推出的TPS638xx系列降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其降壓-升壓模式和磁滯特性可避免在易濾除的噪聲頻譜和較低的EMI之間發(fā)生切換。

降壓升壓器件能處理所有類型的電壓轉(zhuǎn)換嗎？

由于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器“包含”一個降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓轉(zhuǎn)換器，可以用它來進(jìn)行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換。所以從這個角度來說，答案是肯定的。但仍需考慮更多細(xì)節(jié)。表1說明了給定的輸入電壓范圍與所需的輸出電壓，以及降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器能否成為出色的解決方案。

表1：DC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)涓攀?/strong>

讓我們回到最開始的問題：是否存在實(shí)現(xiàn)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換的通用工具？其實(shí)并不確定。當(dāng)不需要降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時，致力于大容量產(chǎn)品開發(fā)的模擬設(shè)計人員將更喜歡專用升壓或降壓轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)化。然而，致力于小體積產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計師可能會認(rèn)為，某些方面的取舍是值得考慮的。

采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換（到降壓-升壓、降壓和升壓）可以帶來以下好處：

·        跨項(xiàng)目擴(kuò)展，不僅節(jié)省時間，還可以降低設(shè)計風(fēng)險。

可以不同DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)量減少到一個易于使用的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的列表中。

可以簡化采購程序，減少庫存的復(fù)雜性，提高價格杠桿作用和供應(yīng)穩(wěn)定性。

·         降壓-升壓可以在關(guān)機(jī)期間斷開負(fù)載與電源的連接，而其他拓?fù)淇赡苄枰~外的負(fù)載開關(guān)。

其他資源

·         了解如何選擇能夠最大限度地延長脈沖負(fù)載應(yīng)用電池壽命的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

·         了解如何使用用于穩(wěn)定電壓的同相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

·         了解精確閾值如何使管腳防止電池過度放電。

·        借助WEBENCH? POWER DESIGNER工具并結(jié)合使用TI的新型降壓-升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行您的設(shè)計吧。