降壓-升壓 DC/DC 轉換器是電源設計人員工具箱中最有價值的工具之一，用于處理各種電源轉換方案。在這些情況下，由于非理想或多輸入電源、瞬態(tài)干擾或充電和放電存儲元件，輸入電壓可能會發(fā)生很大變化。單電感、非反相降壓-升壓轉換器可無縫降壓(降壓)或升壓(升壓)輸入電壓并調節(jié)輸出電壓，無論輸入高于、等于還是低于輸出。降壓-升壓轉換器的三路靈活性可以替代兩個 IC(一個單獨的降壓轉換器或一個低壓差線性穩(wěn)壓器加一個升壓轉換器)，從而節(jié)省印刷電路板 (PCB) 上的空間/占地面積并簡化材料清單(物料清單)。

這些轉換器極大地延長了便攜式系統(tǒng)的電池壽命，因為它們在調節(jié)輸出的同時充分利用了電池的更多有用輸入電壓范圍。在多個潛在電源的情況下，降壓-升壓轉換器可用于專門的降壓或升壓模式，具體取決于電源。此外，在放電存儲元件具有跨越所需固定輸出的放電電壓曲線的備用電源應用中，降壓-升壓轉換器將執(zhí)行兩種操作模式。

應用條件因細分市場而異

除消費產品外，輸入和輸出電壓范圍可能因應用而異。例如，在汽車環(huán)境中，12V 汽車電池是所有電子產品的主要電源。但是，在冷啟動期間，標稱 12 V 可能會下降至低至 3 V，或在負載突降情況下會飆升至接近 40 V(受 transorb 限制)。

在工業(yè)應用中，標準電源總線電壓為 24 V 或 12 V;此外，通常會遇到持續(xù)時間從幾微秒到數(shù)百毫秒的高壓電源尖峰。這些系統(tǒng)中的電子設備不僅必須經受住瞬態(tài)電壓尖峰，而且在許多情況下，還必須在整個事件期間可靠運行。即使在嚴格的輸入電壓條件下(就像汽車環(huán)境一樣)，工業(yè)和軍事/航空航天系統(tǒng)也需要寬泛的工作溫度范圍和穩(wěn)定的電力輸送到必要的下游電子設備。

此外，航空電子設備、軍事和航空航天環(huán)境具有標準電源軌，但也可以通過各種電池配置和太陽能電池板運行，因此需要能夠處理非常寬輸入電壓范圍的電源。一些應用程序需要接受許多不同的輸入源，以便任何能源都會自動為系統(tǒng)供電。例如，許多軍事應用必須接受不同類型的電池、適配器甚至太陽能電池板來提供電力。

由于這些系統(tǒng)需要多個經過良好調節(jié)的電源軌，因此低壓軌通常由降壓穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 供電。但是，對于為傳感器和各種模擬功能(運算放大器、電機或收發(fā)器)供電的穩(wěn)定中高電平 12V 和 24V 電源軌存在要求。其中許多都需要降壓和升壓轉換，具體取決于電源總線電壓電平或系統(tǒng)配置。升降壓轉換器(在某些情況下，具有太陽能功能)提供了調節(jié)各種輸入源輸出的靈活性，最大限度地減少了設計中的電源轉換器數(shù)量，從而簡化了 BOM。

電源轉換設計挑戰(zhàn)

過去，需要降壓和升壓模式操作的設計已經通過使用多個電源轉換器來解決，其典型問題是 PCB 面積、尺寸、更高的成本、更大的復雜性、更低的可靠性、更高的靜態(tài)電流(I Q )，以及較低的轉換效率。單端初級電感轉換器 (SEPIC) 等替代拓撲雖然比多個電源轉換器簡單，但其效率比同步降壓-升壓轉換器低約 10%，并且需要兩個電感器和一個大電流耦合電容器，從而增加復雜性和潛在噪音以及電池壽命縮短。

降壓-升壓轉換器中的升壓模式操作存在一系列獨特的挑戰(zhàn)，尤其是在升壓轉換器關閉或電源初始應用期間。傳統(tǒng)升壓轉換器具有從 V IN 到 V OUT的電流 通過電感器和升壓二極管的直接路徑。當電源施加到 V IN時，升壓轉換器的這一方面可能會導致很大且可能具有破壞性的浪涌電流 ，從而使 V OUT保持部分供電， 當電源轉換器關閉時， 二極管壓降低于 V IN 。

然而，ADI 公司的許多降壓-升壓轉換器都提供了其四開關架構固有的輸出斷開功能。因此，在最初向 V IN供電時，降壓-升壓轉換器的輸入電流保持在控制之下，在 V OUT上電時逐漸從零上升到電流限制水平 。關閉時，降壓-升壓轉換器將 V OUT 與 V IN完全斷開 ，以便 V OUT 可以安全地放電至零。

較新但成熟的磷酸鐵鋰電池化學成分可實現(xiàn)更長的運行時間，但它們的電壓放電曲線延長，在電池電壓低于 3 V 時可提供大量能量。這一特性會影響相關的電源轉換系統(tǒng)，因此需要同步升降壓穩(wěn)壓器產生 3 V 或以上的輸出，這在包括工業(yè)在內的許多系統(tǒng)中很常見。

一些使用超級電容器的備用應用更適合使用可運行至極低輸入電壓的降壓-升壓轉換器。例如，一組電容器(超級電容器、電解電容器等)被充電到某個電壓水平。如果電源出現(xiàn)故障，下游降壓-升壓轉換器可以保持輸出調節(jié)，因為它的好處是允許使用電容器中的所有能量。這可以減少應用中所需的電容數(shù)量(減少電容和電路板面積)。

然而，更現(xiàn)代的轉換器仍需要 2.x V 的輸入電壓才能運行。因此，如果用戶想要從低于 2.x V 的輸入中獲取電力，則需要使用一些技巧(反饋等)。許多 DC/DC 轉換器無法做到這一點。

解決其中許多問題的一些產品包括 ADI 公司的降壓-升壓轉換器。對于需要 40V 能力的輸入，LTC3115-1/-2 和 LTC3114-1 非常適合。對于高達 15V 的輸入電壓，可以使用 LTC3111、LTC3112 和超低靜態(tài)電流 LTC3129。近期的 LTC311x 系列產品將把輸入電壓能力擴展到 18V，并在降壓模式下支持 5A 的輸出電流。

盡管如此，業(yè)界仍有一個尚未解決的空白——一種與 12V/24V 系統(tǒng)兼容的降壓-升壓 DC/DC 轉換器，該轉換器還具有高達 600mA 的中等輸出電流、低電壓運行啟動后，超低靜態(tài)電流。

選擇降壓-升壓轉換器的主要考慮因素

解決上述問題的降壓-升壓解決方案應具有以下屬性：

在寬輸入/輸出電壓范圍內工作

足夠的輸出電流能力

超低智商

低輸出噪聲/紋波

高效運行

在升壓模式下工作時輸出斷開

所需的外部元件最少，易于設計

優(yōu)良的熱性能

滿足這些需求的一些示例包括 Analog Devices 的 LTC3130 和 LTC3130-1。這些 25V 輸入和輸出額定值的單片同步降壓-升壓轉換器可在降壓模式下提供高達 600mA 的輸出電流，并提供極低的 1.2μA 空載靜態(tài)電流(見圖1)。每個器件都提供 2.4V 至 25V 的輸入電壓范圍和 1V 至 25V 的輸出范圍(LTC3130 是可調的;參見圖 2)，并提供一個輸入高于、低于或等于輸出。一旦啟動，這些器件只有 0.6V 的典型輸入電壓要求。用戶可選擇的突發(fā)模式操作可將靜態(tài)電流降低至僅 1.2 μA，從而提高輕負載效率并延長電池運行時間。

圖 1：LTC3130 典型應用原理圖和特性。

圖 2： LTC3130 的V OUT反饋分壓器方程和原理圖。

LT3130 還提供 EXTV CC 功能。 如果 >3 V(范圍：3 V 至 25 V)，則設備的 EXTV CC為 IC 供電。

LTC3130/-1 的專有降壓-升壓拓撲在所有工作模式下提供低噪聲、無抖動切換，非常適合對電源噪聲敏感的 RF 和精密模擬應用。這些器件還包括可編程最大功率點控制 (MPPC) 功能，確保從光伏電池等非理想電源提供最大功率。

LTC3130-1 共享 LTC3130 的所有特性，但提供四個用戶可選擇的固定輸出電壓 — 1.8 V、3.3 V、5 V 和 12 V — 消除了可調輸出版本所需的電阻分壓器 (參見表 1 )。

表 1：LTC3130-1 的 V OUT 程序設置。

LTC3130/-1 具有足夠的電壓裕度來處理 1 個串聯(lián)至 6 個串聯(lián)鋰電池輸入系統(tǒng)和受大噪聲尖峰影響的標稱 12V 系統(tǒng)以及為 24V 傳感器供電的能力。保證的最小 660mA 電感器電流限制提供升壓模式輸出電流能力，特別是對于必須在低輸入電壓下工作的 24V 傳感器，例如 3.3V 或 5V 電池。

LTC3130/-1 包括四個內部低 RDS ON N 溝道 MOSFET，以提供高達 95% 的效率。轉換器啟動可以通過能夠提供低至 7.5 μW 的電源實現(xiàn)，這使得 LTC3130/3130-1 非常適合由弱電源供電的應用，包括薄膜太陽能電池?；蛘?，可以禁用突發(fā)模式操作，提供低噪聲連續(xù)開關。LTC3130/-1 的恒定 1.2MHz 開關頻率確保了低噪聲和高效率，同時最大限度地減小了外部組件的尺寸(見圖3)。內置環(huán)路補償和軟啟動可減少外部部件數(shù)量并簡化設計。

圖 3：LTC3130/-1 的效率為 94%，適用于 14.4 V IN 至 12 V OUT ，電流為 200 mA。

24-V 傳感器應用

圖 4 突出顯示了電池供電的 24-V 傳感器電源。傳感器的電源由高可靠性、長壽命的鋰亞硫酰氯原電池提供。為了最大限度地延長使用壽命，傳感器僅在短暫的時間間隔內激活，激活之間的時間間隔很長，在不活動時恢復到接近零的功率狀態(tài)。

圖 4：電池供電的 24V 轉換器，具有 200mA ILIM 以限制電池電壓下降。

使用 LTC3130 的 200mA 輸入電流限制選項 (ILIM 引腳 = GND) 以最小化傳感器被激活時從高輸出阻抗鋰亞硫酰氯電池獲取的峰值電流，從而進一步延長了電池。LTC3130 通過在長時間空閑期間將其 RUN 引腳驅動為低電平來關斷，僅從 24V 輸出汲取 1μA 電流。

傳感器還與 24V 電源軌斷開連接或關閉，以最大限度地減少長時間空閑期間 24V 輸出電容器的放電。以這種方式保持 24V 輸出，傳感器可以快速上電，進行所需的測量，然后再次斷電，而無需等待 24V 電源軌充電。在傳感器正常運行期間，該 DC/DC 轉換器可實現(xiàn)高達 83% 的效率。

結論

單電感器、同相降壓-升壓轉換器是一種極其靈活且有價值的電源組件。MPPC 和 EXTV CC等靈活性和功能 支持一系列獨特的供電方案，非常適合解決各種應用中的問題。

? ? 審核編輯：湯梓紅