使用雙升壓轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展高轉(zhuǎn)換比設(shè)計(jì)的功率范圍

任何升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)從輸入到輸出的電壓升高程度存在實(shí)際限制。脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器具有時(shí)序限制，限制了場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的允許接通和斷開時(shí)間。時(shí)序限制將有效地限制可實(shí)現(xiàn)的升壓比，盡管這個(gè)缺點(diǎn)在使用電感器而不是變壓器或耦合電感器作為其磁性的拓?fù)渲懈鼮槊黠@。在本電源技巧中，我將比較各種可擴(kuò)展升壓比的非隔離單端升壓拓?fù)洌⒔榻B雙升壓轉(zhuǎn)換器作為實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)換比和高電流輸出負(fù)載的選項(xiàng)。

圖 1顯示了具有單個(gè)電感器、FET 和二極管的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器。任何生成 PWM 信號(hào)的升壓控制器都對(duì)其占空比有時(shí)序限制。

圖 1標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器使用單個(gè)電感器、FET 和二極管。資料德州儀器合作伙伴內(nèi)容

Lumissil 的第三代電容傳感技術(shù)增強(qiáng)了檢測(cè)可靠性Lumissil 的第三代電容傳感技術(shù)增強(qiáng)了檢測(cè)可靠性2023年11月27日

占空比因控制器而異，但一般來說，開關(guān)頻率越高，限制越低。雖然現(xiàn)代升壓控制器的占空比可以超過 90%，但如果需要非常大的輸出電壓，此特性仍可能限制其功能。假設(shè)使用理想二極管，公式 1 將連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 升壓轉(zhuǎn)換器的占空比表示為：

您還可以將公式 1 重新排列為公式 2，以顯示輸入與輸出電壓的升壓比：

假設(shè)占空比為 80%，CCM 升壓轉(zhuǎn)換器可以將輸入到輸出的電壓升高五倍。以斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換比的一種選擇；然而，間斷運(yùn)行所需的較低電感將導(dǎo)致整個(gè)功率級(jí)出現(xiàn)較高的峰值電流。然后，隨著輸出功率要求的增加，更高的峰值電流將限制您可以在功率級(jí)中使用的組件。

增加控制器升壓范圍的另一種選擇是在輸出中添加電荷泵。圖 2在標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器中添加了一個(gè)二極管和一對(duì)電容器。添加后續(xù)的電容器二極管級(jí)可以進(jìn)一步提高升壓能力。

圖 2電荷泵使用額外的電容器和二極管來倍增電壓升壓。資料德州儀器對(duì)于m 個(gè)電荷泵級(jí)，公式 3 計(jì)算出此拓?fù)渥兓纳龎罕龋?/p>

使用與之前相同的 80% 占空比限制，兩級(jí)電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器可以將輸入到輸出的電壓升高 10 倍。如果您需要更大的升壓比，添加級(jí)可以進(jìn)一步增加電荷泵的范圍。這種方法的缺點(diǎn)是每個(gè)電荷泵級(jí)在源極和負(fù)載之間添加了一對(duì)二極管。每個(gè)二極管對(duì)都會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的總二極管傳導(dǎo)損耗，從而使該拓?fù)洳惶m用于高輸出電流應(yīng)用。

對(duì)于需要大幅升壓和較大持續(xù)負(fù)載電流的設(shè)計(jì)，雙升壓轉(zhuǎn)換器成為可靠的選擇。顧名思義，該拓?fù)湔故玖丝刂苾蓚€(gè)級(jí)聯(lián)升壓轉(zhuǎn)換器的共享 PWM 信號(hào)。圖 3顯示了使用單個(gè) PWM 輸入運(yùn)行的雙升壓轉(zhuǎn)換器。雖然電荷泵按比例增加所用級(jí)數(shù)的升壓比，但雙升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是升壓比對(duì)于給定級(jí)數(shù)呈指數(shù)增加。

圖 3雙升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)一對(duì)級(jí)以優(yōu)化升壓轉(zhuǎn)換。資料德州儀器公式 4 將n 個(gè)升壓級(jí)的輸出與輸入電壓之比表示為：

與相同的 80% 占空比示例保持一致，雙升壓轉(zhuǎn)換器可以將輸入到輸出的電壓升壓 25 倍。與使用標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器的五倍升壓和使用兩級(jí)電荷泵升壓的十倍升壓相比，這大大增加了范圍。

表 1列出了三種升壓拓?fù)渥兓g的差異。一般來說，雙升壓轉(zhuǎn)換器是這些拓?fù)渲行阅艿摹Ｈ欢阅艿奶岣甙殡S著組件數(shù)量的增加和設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加。

特征

定期提升

電荷泵

雙升壓

物料清單尺寸

小的

中等的

大的

V DS 應(yīng)力

輸出電壓

輸出電壓/米

√V輸出xV輸入，V輸出

（需要兩個(gè) FET）

磁學(xué)

單電感

單電感

兩個(gè)電感

實(shí)際應(yīng)用

較小的升壓比

（V輸出< 10 x V輸入）

更大的升壓比

（V輸出> 10 x V輸入）

升壓比非常大，功率高

（V輸出>> 10 x V輸入）

局限性

占空比限制

BOM 數(shù)量高

成本高

表 1非隔離升壓變型之間的比較摘要。

設(shè)計(jì)雙升壓的功率級(jí)時(shí)，請(qǐng)單獨(dú)考慮每個(gè)升壓。換句話說，在為雙升壓轉(zhuǎn)換器選擇組件時(shí)，對(duì)待輸入到中間電壓與中間到輸出電壓的方式不同。

假設(shè)雙升壓轉(zhuǎn)換器的兩級(jí)均以 CCM 運(yùn)行，公式 5 將中間電壓 (Vmid) 表示為：

中間電壓是大部分性能提升的來源。通過將轉(zhuǎn)換分為兩個(gè)步驟，級(jí)可通過 FET 和二極管上的較低電壓處理較高的電流應(yīng)力，而第二級(jí)則以較低的電流轉(zhuǎn)換較高的電壓。對(duì)于每種情況，各個(gè)功率級(jí)的每個(gè)組件都可以幫助優(yōu)化功率損耗。整流器的選擇也更加靈活。例如，低電壓、高電流部分可以使用同步整流器來提高效率，同時(shí)高電壓、低電流部分仍使用二極管。

雙升壓轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是其復(fù)雜性和高部件數(shù)量。由于 Vmid 在輸入電壓范圍內(nèi)變化，因此您必須考慮輸入的兩個(gè)。高轉(zhuǎn)換率設(shè)計(jì)往往需要更多組件。然而，與電荷泵升壓級(jí)相比，雙升壓轉(zhuǎn)換器需要更多獨(dú)特的部件。與級(jí)相比，第二級(jí)上電壓較高的 FET 可能需要更高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。在輸入電壓非常低的情況下，設(shè)計(jì)可能必須包括第二個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器才能驅(qū)動(dòng)更高電壓的 FET。

所有升壓 PWM 控制器的占空比都有限制，從而限制了電壓轉(zhuǎn)換能力。雙升壓轉(zhuǎn)換器等拓?fù)渥兓黾恿嗽S多選項(xiàng)來擴(kuò)展此可用范圍。雙升壓轉(zhuǎn)換器的靈活性使您能夠在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換比要求，同時(shí)仍然具有足夠的效率來處理較重的負(fù)載條件。