設(shè)計成功的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器布局

LM5017系列產(chǎn)品等降壓轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器集成電路（IC）可以從正VIN產(chǎn)生負VOUT在DC/DC轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域是常識。乍一看，使用降壓穩(wěn)壓器IC的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖與降壓轉(zhuǎn)換器十分相似（圖1a和1c）。但是兩個電路也存在重大差異，無論是在電壓和電流高低，切換電流流動還是在布局上。

在此前的博文中，我討論了VIN范圍、VOUT范圍和可用輸出電流IOUT最大值的區(qū)別。布局的差異源自反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和降壓變換器的切換電流流動路徑的差異——雖然至關(guān)重要——不容易理解。

圖1顯示了降壓轉(zhuǎn)換器和反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)并流的差異。在降壓轉(zhuǎn)換器（圖1a和1b）中，輸入回路——包括輸入電容CIN、高側(cè)開關(guān)QH和同步整流器QL，傳導(dǎo)高di / dt的切換電流。輸出回路，包括同步整流器QL、電感器L1和輸出電容Cout，具有相對連續(xù)的電流。因此，雖然優(yōu)化輸入電流回路區(qū)域至關(guān)重要，但是不如優(yōu)化輸出電流回路區(qū)域重要。

圖1：降壓轉(zhuǎn)換器（a和b）與反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（c和d）中的切換電流

反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的輸入和輸出電流回路與降壓轉(zhuǎn)換器（圖1c和1d）的構(gòu)成元素相同。輸入回路中元件包括輸入電容CIN、控制FET QH和同步整流器QL。輸出電流回路中元件包括同步整流器QL、濾波電感器L1及輸出電容COUT。然而，在反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入和輸出電流回路都有高di/dt切換電流，因為在切換子間隔之間，濾波電感器從CIN切換至COUT。

因為降壓和反向原理圖的相似性，切換電流路徑的差異經(jīng)常被忽視，并且許多反向降壓-升壓設(shè)計和布局與降壓轉(zhuǎn)換器相同，僅優(yōu)化輸入電流回路中的小部分回路區(qū)域。降壓到反向降壓-升壓的轉(zhuǎn)換常常被當(dāng)作重新連接VOUT和接地引腳。但是，這種方法沒有考慮到簡單的降壓和反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器不同的電流（使用相同的穩(wěn)壓器IC），會導(dǎo)致這些問題：

圖1c和1d所示的切換電流路徑會產(chǎn)生較大的寄生電感，在切換節(jié)點上引起更高的尖峰，產(chǎn)生以下負面影響：

開關(guān)電流流過非優(yōu)化電流回路產(chǎn)生更高的電磁干擾（EMI）和噪聲。

在反向降壓-升壓配置中，MOSFET的尖峰電壓在|VIN + VOUT|電壓以上。

通過輸出電容的切換電流比降壓轉(zhuǎn)換器中相同的電感器電流具有更高的均方根（RMS）（熱量）值。輸出電容的斷續(xù)電流還會產(chǎn)生更高的輸出紋波。因此，在選擇電容的過程中，設(shè)計人員必須考慮到這些高紋波電流，以滿足VOUT紋波和IRMS額定電流的要求。圖2比較了降壓和反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器輸出電容的紋波電流。

圖2：降壓轉(zhuǎn)換器（a和b）輸出濾波電容器的紋波電流很小，因為電感器總是與輸出節(jié)點連接。

由于流過輸出電容電流的不連續(xù)性，反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（c和d）輸出濾波電容器的紋波電流要高得多。

圖3顯示如何優(yōu)化反向降壓-升壓功率級，以實現(xiàn)更低的di/dt輸入和輸出回路。圖4給出了使用100V同步降壓穩(wěn)壓器LM5017的反向降壓-升壓功率級布局示例。

圖 3：優(yōu)化功率級元件，減小切換電流回路區(qū)域（a），確認電流回路（b）減小電流回路

圖4：采用LM5017同步降壓穩(wěn)壓器的反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器布局示例

結(jié)論

設(shè)計者經(jīng)常使用降壓穩(wěn)壓器來創(chuàng)建反向降壓-升壓穩(wěn)壓器。但是，降壓和反向降壓-升壓電路之間的切換電流存在重要的差異。特別是，設(shè)計者應(yīng)注意輸出濾波電容的選擇和切換電流回路的布局，以獲得最佳的可靠性和噪聲性能。

審核編輯：Gt