作者：Mark Derhake，应用工程师
摘要
本文将探讨采用交替式降压-升压控制的优势，并深入剖析影响降压-升压架构瞬态响应的控制局限性。此外，文中将针对各工作区域提供优化瞬态性能的策略。
引言
H桥降压-升压集成电路(IC)通常用于即使系统电池电压降至较低水平时仍需要恒定电压或电流源的应用中。当需要单级转换器且输出电压可高于或低于输入电压时，通常会使用此类IC。此外，此类IC可用作LED应用的电流源，从而将典型的先升压后降压的设计简化为单级设计。由于耦合电感的成本问题，与其他降压-升压拓扑（如单端初级电感转换器(SEPIC)）相比，此类IC可能更受青睐。
顾名思义，H桥降压-升压架构是将降压电路和升压电路组合成单个转换器的复合结构。其中需要用到四个开关，这些开关通过检测输出与输入之间的比率来确定工作模式，从而调节输出。
图1.典型的H桥降压-升压配置。
H桥降压-升压转换器通过在多种模式中切换来工作。当输入电压远高于输出电压时，电路将通过切换开关1和开关2以纯降压模式运行（见图1）。当输入电压远低于输出电压时，电路将通过切换开关3和开关4以纯升压模式运行（见图1）。当输入电压接近输出电压时，电路将以降压-升压模式运行。在这种模式下，有几种方法可以控制四个开关以实现适当的调节。
工作模式
为了确定工作模式，电路必须检测输出与输入的比率。然后将该比率与内部设定值进行比较，以确定工作模式。通常，这些值会设置一定的滞后量，以确保在输入电压上升和下降时，不同工作模式之间能够平滑过渡。
降压区域
当降压模式的内部比较器因输出电压显著低于输入电压而触发时，电路将作为纯降压转换器运行。要在降压区域工作，开关3必须始终闭合，开关4必须始终断开。随后，开关1和开关2可像在普通强制脉宽调制(FPWM)降压转换器中那样切换LX1（见图2）。
图2.18 V至12 V降压工作模式。
升压区域
当升压模式的内部比较器因输出电压显著高于输入电压而触发时，电路将作为纯升压转换器运行。要在升压区域工作，开关1必须始终闭合，开关2必须始终断开。随后，开关3和开关4可像在普通强制脉宽调制(FPWM)升压转换器中那样切换LX2（见图3）。
图3.6 V至12 V升压工作模式。
降压-升压区域
当输出电压接近输入电压（略高或略低）时，电路将在降压-升压区域工作。
降压-升压交替控制
通过降压-升压交替控制，电路将通过在降压侧和升压侧之间交替切换来调节输出。具体而言，电路初始时将运行降压开关，而占空比由补偿电压设定。降压开关会在一个完整的开关周期内工作，之后电路切换至升压侧。一旦降压侧完成一个完整周期，升压侧将开始切换，其占空比同样由补偿电压控制。这种工作方式允许H桥的两侧根据需要调整每个降压和升压脉冲，达到调节输出的目的。此外，由于H桥的每一半仅在另一侧完成切换后才会动作，因此工作频率实际上会减半（见图4）。
图4.降压-升压区域。
这种控制方法具有诸多优势。首先是效率方面，由于在降压-升压区域开关频率减半，开关损耗随之减少。在电磁干扰(EMI)方面也有类似的改善效果。尽管开关频率减半，但它始终保持一致，从而简化了EMI问题。另外，这种方法还能改善瞬态响应。这是因为当输出略高于输入时，有效升压占空比会更低。因此，在这种控制方案中，降压-升压区域的右半平面零点(RHPZ)可保持在更高频率。
要了解电路在降压-升压区域中的调节方式，不妨考虑输入略高于输出的情况。在降压-升压周期的一开始，通过闭合开关1和3来控制降压侧，这会使得电感电流以(VIN - VOUT )/L1的斜率上升至峰值。一旦降压导通时间结束，控制环路将断开开关1并闭合开关2。在降压周期的关断时间内，电感电流将以VOUT/L1的斜率下降至谷值，从而确定电感的峰峰值纹波。当降压侧完成一个完整的开关周期后，逻辑电路将切换至升压侧。升压侧首先会断开开关2，并保持开关1和3闭合，这一动作对应升压的关断时间。此时电感电流将以与降压导通时间相同的方式上升，电流斜率为(VIN - VOUT )/L1。当升压关断时间结束后，控制环路将通过断开开关3并闭合开关4来设定升压导通时间，这会使得电感电流以VIN/L1的斜率重新上升至降压导通时间开始时的水平（见图5）。
图5.降压-升压开关(VIN > VOUT)。
接下来，考虑VIN略低于VOUT的情况。在这种情况下，每个开关周期保持不变。两种情况的主要区别在于：当VIN > VOUT时，电感电流纹波由降压关断时间设定；而当VIN < VOUT时，电感电流纹波则由升压导通时间设定。在降压-升压区域中，电感电流纹波还会翻倍，这是因为H桥的降压侧和升压侧的工作频率减半。如图6所示，电感电流仅在一个完整的降压和升压周期完成后才会完成一个完整周期。
图6.降压-升压开关(VOUT > VIN)。
效率优势
在降压-升压电路中，当电路进入降压-升压区域时，整体功率级效率会下降。而采用交替控制时，降压-升压区域的效率可得到提升，这得益于降压-升压区域内有效频率的降低。例如，在降压工作模式下，若工作频率为2.1 MHz，则开关1和开关2每476 ns完成一次开关动作。当电路在升压区域工作时，开关3和开关4的工作逻辑同理。而在降压-升压区域工作时，这一机制仍然成立，只是此时开关会在两侧之间交替切换。这意味着，即使在降压-升压区域，开关动作的次数仍然保持不变，从而使这种控制方法的效率更优。
