关于逆变降压升压转换器的所有内容

了解反向降压-升压转换器，一种设计用于处理不稳定输入电压的开关电压调节器。

对于电路设计者来说，基于电感器的开关模式电压转换是一项必不可少的技术。它允许我们通过高效紧凑的电路实现降压和升压调节，而不会在过程中引入过多的复杂性。

我在前面的文章中介绍了降压和升压调节器，今天我们将了解另一种基本的开关调节器拓扑：反向降压-升压转换器。

当我在本文中使用术语basic时，我指的是由输出电容以及一个电感器、一个开关和一个二极管组成的电路。现在我提到这一点，是为了解释为什么本文只介绍反向降压-升压架构，而不包括四开关降压-升压架构。

逆变降压-升压转换器的基本布局如下图1所示。该电路接受正输入电压并产生负输出电压，该负输出电压可以大于或小于输入电压。

通用逆变降压-升压转换器电路图

•图1。逆变降压-升压转换器的一般拓扑结构。

LTspice电路设计

虽然这次我不逐一向你们介绍方案设计过程，但我想简单地对几个方面进行评论。

对于降压转换器的原理图，我采用了一种正式的方法，其中组件值是在公式和性能规范的辅助下确定的。对于升压转换器，我更多地从示例电路中工作，并优先考虑维持合理电感器尺寸的实际目标。

然而，对于这个降压-升压转换器，我依赖于由试验和错误补充的直觉。有多种方法来处理开关模式电源（SMPS）功率级的设计。公式和数据表建议是一个很好的开始，但也不要害怕试验。

一定要仔细检查你的工作。一开始，LTspice不能成功地运行这个电路的模拟，最后我意识到我的电流源指向了错误的方向！请记住，反向降压负载的VOUT为负，因此负载电流从接地节点向上流动。

降压柱示意图的最终版本如图2所示。我们将首先使用它来检查反向降压-升压转换器的基本操作，然后对其进行模拟以进行更详细的分析。

L逆变降压-升压转换器示意图。输入电压为常数。

•图2。在LTspice中实现的反向降压-升压转换器。

逆变降压升压变换器的基本操作

与前面的变换器拓扑一样，我们将在两个不同的操作阶段分析降压-升压变换器：当开关导通电流时（接通状态）和当开关阻断电流时（关断状态）。我们将从接通状态开始。

开关接通状态

图3显示了接通状态下通过电路的电流路径：当开关导通时，电流从输入电源流过电感器，然后流向接地。

图中显示了在接通状态下通过反向降压-升压转换器的电流。

•图3。接通状态下流过降压-升压转换器的电流。

电感器正在充电，电流上升。同时，负载电流完全由输出电容器提供，我们假设输出电容器已经充电到输出电压。它向上流动，因为VOUT为负，因此低于接地电位。当我们讨论关断状态时，我们会明白为什么输出电容器充电到负电压。

由于VOUT是负的，并且电感器上端的电压大约等于VIN，所以二极管反向偏置。然而，由于所涉及的电压极性，电流自然会从输入侧流向输出侧。。

关闭状态

图4所示为断开状态下电流的路径。

截止状态下通过反向降压-升压转换器的电流图。

•图4。断开状态下流过降压-升压转换器的电流。

当开关打开时，电感器试图保持一致的电流。这导致其上端的电压降低，直到二极管被正向偏置为止。一旦二极管导通，电感器就起到负载电流的能量来源的作用；它还以这样的方式通过电容器吸取电流，使得电容器的上端的电压必须低于地。电容器充电至负电压，VOUT变为负。

占空比和输出电压

无论输出电压的绝对值高于或低于输入电压，在接通和关断状态期间的电气行为的描述都是有效的。VOUT的绝对值可以通过振荡器信号的占空比来控制：这是反向降压负载如何产生比输入电压大或小的负电压的方式。

我将使用图2中的.step语句来演示这个电路生成高于、低于或等于输入电压的VOUT幅值的能力。输出电压由振荡器的占空比（D）确定。

步进声明中包括的D值为：

10%，相当于-0.56 V的理论VOUT。

50%，相当于-5V的理论VOUT。

和90%，相当于–45 V的理论VOUT。

现在让我们尝试一个LTspice模拟（图5）。

LTspice模拟结果显示了三个不同占空比下反向降压-升压转换器的输出电压。

•图5。三个不同占空比的降压-升压转换器输出电压。

模拟输出电压为-0.27V、-5.2V和-27V。虽然这些值与上述理论结果不甚一致，但差异并非微不足道。在这种情况下，理论和SPICE之间的差异并不关心我：我以前已经看到过，并且我知道唯一可靠的解决方案是闭环控制。我们将在未来的一篇文章中更深入地讨论这个问题。

电感器电流和电压

图6显示了电感器电流和开关状态之间的关系。

反向降压-升压转换器的输出电压、开关电压和电感电流的LTspice图。

•图6。降压-升压转换器的输出电压、开关电压和电感电流。

当开关闭合时，电感器电流开始增加，电感器在其磁场中存储能量。当开关断开时，电感器的电流随着能量传输到电路的输出部分而倾斜下降。

图7将振荡器信号替换为电感器两端的电压。因为它也是二极管阴极端子的电压，所以电感器电压被标记为VCATHODE。

反向降压-升压转换器的输出电压、电感电压和电感电流的LTspice图。

•图7。降压-升压转换器的输出电压、电感器电压和电感器电流。

当开关接通时，输入电压和电感器两端的电压相似。然而，当开关关断时，电感器必须使VCATHODE足够低以正向偏置二极管。从上面的图中可以看出，VCATHODE降低到–5.5 V，这大约是二极管降到–5.16 V输出以下。

记住我们使用的是肖特基二极管，这意味着二极管的截止电压大大低于我们使用典型的硅二极管得到的0.6或0.7伏。

可变输入电压

降压-升压转换器在尽管输入电压可变但必须维持规定的输出电压时最有用。例如，当电池放电时，电池供电的设备将看到输入电压逐渐减小。

我已经修改了图2中的示意图以生成图8，我们将使用它来演示如何适当地改变占空比来补偿VIN中的变化。

L逆变降压-升压转换器示意图。）。

•图8。来自图2的电路，但具有修改的VIN源和.step声明。

我将VIN源从恒定的5V更改为分段线性（PWL）函数，该函数从6V开始，然后降低到4V，然后再次降低到3V。您可以在图9中看到生成的波形。

LTspice图显示了作为PWL函数的反向降压-升压转换器输入电压。

•图9。图8中降压-升压转换器的车辆识别代码。

我还将.step语句中的值修改为将6V、4V和3V转换为-5V所需的三个占空比。这些占空比分别为45%、58%和68%。我从上面所示的VOUT/VIN关系开始找到这些值，然后通过尝试和错误来调整它们。

如果您运行这个模拟并在单独的窗格中绘制VIN和VOUT，那么您将得到图10。

•图10。顶部窗格：VIN。底部窗格：上面三个VIN值中每一个的VOUT。

顶部窗格中的三个VIN级别中的每一个都由底部（VOUT）窗格中的不同颜色迹线表示。

为了理解VOUT图，让我们考虑每个轨迹随时间的变化——特别是它与代表我们所需输出电压的光标虚线相交的时间。

绿色轨迹：占空比为45%。VOUT=–5 V，介于0 ms和4 ms标记之间。

蓝色轨迹：占空比58%。VOUT=–5 V，大致从5 ms到9 ms标记。

红色痕迹：占空比68%。VOUT=–5 V，从9 ms标记到绘图结束。

我们从绿色到蓝色再到红色——换句话说，从45%到58%到68%的占空比。

反演问题

我们已经知道，这种拓扑结构接受正输入电压并产生负输出电压。如果负载电路不需要与电源共享参考电势，则输出可以被视为正：地变为电源轨，负VOUT变为地。例如，这适用于通过高功率LED驱动电流。

然而，在许多应用中，这是不可行的，因为负载电路不能独立于系统中信号参考原始接地节点的其他部分而工作。如果你正在寻找正VIN到正VOUT的调节，就像通常的情况一样，这种倒置是一个主要的限制。这就是为什么四开关拓扑是一种流行的替代方案：尽管它需要更多的组件，但它具有产生正输出电压的优势。

总结

我们研究了反相降压-升压转换器的基本原理，分析了一些电流和电压波形，并创建了电路补偿电池电压能力的简化演示，该电池电压开始高于所需输出电压，然后降低到低于所需输出电压的水平。

我希望这篇文章不仅能帮助您了解这种调节器拓扑的工作原理，还能帮助您了解它如何在输入电压不稳定或可变的情况下增加灵活性和便利性。如果你仍然有问题或想更深入地研究这个话题，这份关于理解反向降压-升压功率阶段的德州仪器应用程序说明是一个很好的资源。