如何在高压应用中利用反相降压-升压拓扑

问题:

如何轻松地为高压反相降压-升压拓扑选择合适的线圈?

如何在高压应用中利用反相降压-升压拓扑

答案:

使用简化的占空比方程来绘制线圈电流纹波与电路输入电压(转换为输出电压)之间的关系,然后使用 LTspice®验证结果。

简介

对于需要生成负电压轨的应用,可以考虑多种拓扑结构,如 "生成负电压的艺术" 一文所述。1但是,如果输入和/或输出端的绝对电压超过24 V,并且所需的输出电流可以达到几安,则充电泵和LDO负压稳压器将会因其低电流能力被弃用,而其电磁组件的尺寸,会导致反激式和Ćuk转换器解决方案变得相当复杂。

因此,在这种条件下,反相降压-升压拓扑能在高效率和小尺寸之间达成较好的折衷效果。

但是,要实现这些优势,必须充分了解高压条件下反相降压-升压拓扑的工作原理。在深入研究这些细节之前,我们首先简要回顾一下反相降压-升压拓扑。然后,比较反相降压-升压拓扑、降压拓扑和升压拓扑的关键电流路径。

三种基本的非隔离拓扑

反相降压-升压拓扑属于三种基本的非隔离开关拓扑。这些拓扑结构都包括一个控制晶体管(通常是一个MOSFET)、一个二极管(可能是肖特基二极管或有源二极管,即同步MOSFET),以及一个作为储能元件的功率电感。这三个元件之间的共同连接称为开关节点。功率电感相对于开关节点的位置决定拓扑结构。

如果线圈位于开关节点和输出之间,将构成DC-DC降压转换器,我们在下文中将其简称为降压转换器。或者,如果线圈位于输入和开关节点之间,将构成DC-DC升压转换器,简称为升压转换器。最后,如果线圈位于开关节点和地(GND)之间,则构成DC-DC反相降压-升压转换器。

在每个开关周期,甚至在连续导通模式(CCM)下,所有三种拓扑包含的组件和PCB走线的电流会快速变化,导致图1c、2c和3c突出显示的噪声转移。尽可能设计较小的热回路,以降低电路辐射的电磁干扰(EMI)。这里,需要提醒大家的是,热回路并非一定是电流循环流动的物理回路。实际上,在图1、图2和图3突出显示的各个回路中,由红色和蓝色突出显示的组件和线路构成热回路,其电流急剧转换并不会发生在相同方向。

Figure 1. Components and tracks belonging to the hot loop—buck converter operating in CCM.
图1. 属于热回路的组件和线路——在CCM下运行的降压转换器。
Figure 2. Components and tracks belonging to the hot loop—boost converter operating in CCM.
图2. 属于热回路的组件和线路——在CCM下运行的升压转换器。
Figure 3. Components and tracks belonging to the hot loop—inverting buck-boost operating in CCM.
图3. 属于热回路的组件和线路——在CCM下运行的反相降压-升压转换器。

对于图3所示的CCM下运行的反相降压-升压转换器,热回路由CINC、Q1和D1构成。与降压和升压拓扑中的热回路相比,反相降压-升压拓扑的热回路包含位于输入和输出端的组件。在这些组件中,当控制MOSFET开启时,二极管(或者,如果使用同步MOSFET,则为体二极管)的反相恢复会生成最高的di/dt和EMI。由于需要全面的布局概念来考虑控制这两个方面的辐射EMI,所以您肯定不希望通过低估在高输入和/或输出电压条件下所需的反相降压-升压电感,通过过大的线圈电流纹波生成额外的辐射EMI。对于依赖自己所熟悉的升压拓扑来确定反相降压-升压电路电感的工程师来说,他们会面临这种风险,我们可以通过比较这两种拓扑看清这一点。

高压反相降压-升压拓扑的设计考量

升压拓扑和反相降压-升压拓扑生成的绝对输出电压的幅度要高于输入电压。但是,这两种拓扑之间存在差异,可以通过CCM中各自的占空比(在公式1和公式2中提供)来突出显示。请注意,这些都是一阶近似值,未考虑通过肖特基二极管和功率MOSFET时产生的压降等影响。

Equation 1
Equation 2

图4左侧显示的是在VIN = 12 V时,这些占空比变化的一阶近似值与|VOUT|的关系。此外,假设在这两种情况下,电源线圈的开关频率(fSW)为1 MHz,电感为1 µH,则线圈电流纹波变化与VOUT的关系如图4右侧所示。

Figure 4. Duty cycle and coil current ripple vs. |VOUT| at VIN = 12 V for inverting buck-boost and boost.
图4. 反相降压-升压和升压转换器中,VIN = 12 V时占空比和线圈电流纹波与|VOUT|的关系。

从图4可以看出,与升压拓扑相比,|VOUT|更低时,反相降压-升压拓扑的占空比将会超过50%:分别为12 V和24 V。大家可以参考图5加深理解。

在升压拓扑中,电感位于输入和输出之间的路径中。因此,通过功率电感(VL)的电压会并入VIN,以提供所需的VOUT。但是,在反相降压-升压拓扑中,输出电压由VL提供。在这种情况下,功率电感必须为输出端提供更多电能,这就是|VOUT|更低时,占空比却已达到50%的原因。

Figure 5. Impact of the coil positioning on the obtained output voltage.
图5. 线圈位置对获得输出电压的影响。

我们可以换种说法来表述,当|VOUT|/VIN比下降时,反相降压-升压拓扑的占空比降低速度要比升压拓扑慢。这是设计期间要考虑的一个重要事实,大家可以参考图6更好地了解其影响,其中已重绘占空比和线圈电流纹波的一阶近似值,但是是占空比与VIN之间的曲线。

Figure 6. Duty cycle and coil current ripple vs. VIN at |VOUT| = 48 V for inverting buck-boost and boost.
图6. 反相降压-升压和升压转换器中,|VOUT| = 48 V时占空比和线圈电流纹波与VIN的关系。

如图6所示,线圈电流纹波(ΔIL)与VIN和D成正比。在升压拓扑中,当VIN高于VOUT的一半时,占空比下降的速度快于VIN升高的速度,从VIN = 24 V时的50%下降到VIN = 42 V时的25%,如图6左侧图中的蓝色曲线所示。因此,对于图6右侧图所示的升压拓扑,在VIN高于24 V时,ΔIL会快速降低。

但是,对于反相降压-升压拓扑,如之前图4所示,当|VOUT|/VIN下降时,或者说,VIN增大,以提供固定的|VOUT|时,D非常缓慢地下降。图6左侧图中的绿色曲线显示了这一点,当VIN升高62.5%,从48 V升高到78 V时,占空比仅损失25%。由于D的下降不能抵消VIN的升高,线圈电流纹波会随VIN升高而大幅增加,如图6右侧图中的绿色曲线所示。

总体来说,与升压拓扑相比,反相降压-升压拓扑在高压条件下具有更高的线圈电流纹波,所以,在相同的fSW下,反相降压-升压拓扑需要更高的线圈值。我们可以借助图7,根据具体情况运用这一知识,当然,也是基于一阶近似值。

Figure 7. Duty cycle and coil current ripple vs. VIN at VOUT = –12 V and –150 V for inverting buck-boost.
图7. 反相降压-升压转换器中,VOUT = –12 V和–150 V时占空比和线圈电流纹波与VIN的关系。

具有宽输入电压范围和高输出电流的应用

我们考虑一下VIN = 7 V至72 V,VOUT = –12 V,电流为5 A的应用。在这个高输出电流下,我们选择使用同步控制器(LTC3896)来实现高效率。

选择电感

在CCM中使用LTC3896时,建议将ΔIL保持在IOUT,MAX(例如,为5 A时)的30%和70%之间。因此,我们在设计时,希望在整个输入电压范围内,ΔIL保持在1.5 A和3.5 A之间。此外,保持在这个推荐的范围内,也就是IOUT,MAX的30%和70%之间意味着比率最多能达到2.33,即70%除以30%,也就是输入电压范围内最高电流纹波与最低电流纹波之间的比率。如之前观察到的结果,对于反相降压-升压拓扑这类ΔIL会随VIN大幅变化的拓扑来说,这并不是一项简单的任务。

参考图7可以看出,当fSW = 1 MHz,L = 1 µH时,线圈电流纹波会在4.42 A和10.29 A之间变化,这个值太高了。要使最低ΔIL达到我们建议的下限1.5 A或IOUT,MAX的30%,我们需要将现在的值4.42 A降低三倍。我们可以将fSW设置为300 kHz,选择10 µH电感,加上FREQ引脚上的47.5 kΩ电阻来实现这一点。实际上,这会使ΔIL降低,(1 µH × 1 MHz)/(300 kHz × 10 µH) = 1/3。

由于这种降低,现在,在整个输入电压范围内,线圈电流纹波(ΔIL)会在1.5 A和3.4 A之间(IOUT,MAX的30%和68%之间)变化。我们会获得 LTC3896 数据手册最后一页所提供的电路,如图8所示。

Figure 8. LTC3896 circuit with VIN = 7 V to 72 V, VOUT- = –12 V and fSW = 300 kHz.
图8. LTC3896电路:VIN = 7 V至72 V,VOUT- = –12 V,fSW = 300 kHz。

使用LTspice验证我们的电感选择

对于线圈电流纹波,我们可以使用LTspice来仿真相同的LTC3896电路,如图9所示,以得出更准确的值。在图10中,VIN = 7 V和72 V时,ΔIL分别等于约1.45 A和3.5 A,这与之前根据图7以及降低fSW和L获取的一阶近似值一致。请注意,图10所示的线圈电流在流向RSENSE时,被视为是正电流。

使用LTspice仿真还有一个好处,可以确定运行期间的峰值线圈电流,即在最低输入电压为7 V时的电流。

如何在高压应用中利用反相降压-升压拓扑
图9. 使用LTspice仿真的LTC3896电路。
如何在高压应用中利用反相降压-升压拓扑
图10. 测量VIN = 7 V和72 V时ΔIL的值,使用之前的LTspice电路获取峰值线圈电流。

如图10所示,应用的峰值线圈电流接近15.4 A。获得这个值后,可以选择电流额定值足够高的功率电感。

设计采用更高的输出电压时

回到图7,在VIN的范围为12 V至40 V,VOUT = –150 V这个假设情况下,其中也提供了电流纹波值。

要注意的第一点是,在相同的fSW和L下,要得出更高的VOUT,电流纹波会大幅增高。如此高的ΔIL往往不可取,因此,与之前的示例相比,我们需要降低更多倍数,这意味着在相同的fSW下,采用更大的电感。

第二点是关于ΔIL在整个输入电压范围内的变化。在之前的示例中,VOUT = –12 V,从最低纹波到最高纹波,ΔIL只增加了约2.33倍,输入电压却增长了超过10倍。在当前的示例中,VOUT = –150 V,从最低电流纹波到最高电流纹波,ΔIL已经增大2.85倍,但输入电压只增大了3.33倍,从12 V增大到40 V。

还好,这种挑战只存在于CCM情况下。在断续导通模式(DCM)下,IOUT(MAX)的30%至70%这种限制不再适用。无论如何,在IOUT(MAX) = 5 A时,要一步将VIN = 12 V转换为VOUT = –150 V还是太过费力。在任何情况下,要进行这种电压转换时,需要的输出电流一般很低,表示我们采用DCM模式。例如,LTC3863数据手册最后一页所示的电路就是如此,如图11所示。

因为DC电流低,所以在这些情况下使用非同步控制器(例如LTC3863)就足以提供不错的效率。关于在DCM下的这种LTC3863设计,LTspice提供的LTC3863电路是一个不错的工具,可用于优化线圈选择。

Figure 11. An LTC3863 circuit with VIN = 12 V to 40 V, VOUT- = –150 V and fSW = 320 kHz.
图11. LTC3863电路:VIN = 12 V至40 V,VOUT- = –150 V,fSW = 320 kHz。

结论

反相降压-升压拓扑的热回路包含位于输入和输出端的组件,所以其布局难度要高于降压拓扑和升压拓扑。

虽然与升压拓扑有些类似的地方,但在类似的应用条件下,反相降压-升压拓扑的电流纹波更高,这是因为线圈是其唯一的输出来源(如果我们忽略输出电容)。

对于具有高输入和/或输出电压的反相降压-升压应用,线圈电流纹波可能更高。为了控制电流纹波,与升压拓扑相比,反相降压-升压拓扑会使用更高的电感值。我们通过一个实例展示了如何根据应用条件来快速调节电感。

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发布日期:2022年12月13日  所属分类:标准产品库