设计成功的反向降压-升压转换器布局

LM5017系列产品等降压转换器或稳压器集成电路（IC）可以从正VIN产生负VOUT在DC/DC转换器领域是常识。乍一看，使用降压稳压器IC的反向降压-升压转换器的电路图与降压转换器十分相似（图1a和1c）。但是两个电路也存在重大差异，无论是在电压和电流高低，切换电流流动还是在布局上。

在此前的博文中，我讨论了VIN范围、VOUT范围和可用输出电流IOUT最大值的区别。布局的差异源自反向降压-升压转换器和降压变换器的切换电流流动路径的差异——虽然至关重要——不容易理解。

图1显示了降压转换器和反向降压-升压转换器开关并流的差异。在降压转换器（图1a和1b）中，输入回路——包括输入电容CIN、高侧开关QH和同步整流器QL，传导高di / dt的切换电流。输出回路，包括同步整流器QL、电感器L1和输出电容Cout，具有相对连续的电流。因此，虽然优化输入电流回路区域至关重要，但是不如优化输出电流回路区域重要。

图1：降压转换器（a和b）与反向降压-升压转换器（c和d）中的切换电流

反向降压-升压转换器中的输入和输出电流回路与降压转换器（图1c和1d）的构成元素相同。输入回路中元件包括输入电容CIN、控制FET QH和同步整流器QL。输出电流回路中元件包括同步整流器QL、滤波电感器L1及输出电容COUT。然而，在反向降压-升压转换器中，输入和输出电流回路都有高di/dt切换电流，因为在切换子间隔之间，滤波电感器从CIN切换至COUT。

因为降压和反向原理图的相似性，切换电流路径的差异经常被忽视，并且许多反向降压-升压设计和布局与降压转换器相同，仅优化输入电流回路中的小部分回路区域。降压到反向降压-升压的转换常常被当作重新连接VOUT和接地引脚。但是，这种方法没有考虑到简单的降压和反向降压-升压转换器不同的电流（使用相同的稳压器IC），会导致这些问题：

图1c和1d所示的切换电流路径会产生较大的寄生电感，在切换节点上引起更高的尖峰，产生以下负面影响：

开关电流流过非优化电流回路产生更高的电磁干扰（EMI）和噪声。

在反向降压-升压配置中，MOSFET的尖峰电压在|VIN + VOUT|电压以上。

通过输出电容的切换电流比降压转换器中相同的电感器电流具有更高的均方根（RMS）（热量）值。输出电容的断续电流还会产生更高的输出纹波。因此，在选择电容的过程中，设计人员必须考虑到这些高纹波电流，以满足VOUT纹波和IRMS额定电流的要求。图2比较了降压和反向降压-升压转换器输出电容的纹波电流。

 

图2：降压转换器（a和b）输出滤波电容器的纹波电流很小，因为电感器总是与输出节点连接。

由于流过输出电容电流的不连续性，反向降压-升压转换器（c和d）输出滤波电容器的纹波电流要高得多。

图3显示如何优化反向降压-升压功率级，以实现更低的di/dt输入和输出回路。图4给出了使用100V同步降压稳压器LM5017的反向降压-升压功率级布局示例。

  图 3：优化功率级元件，减小切换电流回路区域（a），确认电流回路（b）减小电流回路

  图4：采用LM5017同步降压稳压器的反向降压-升压转换器布局示例

 

结论

设计者经常使用降压稳压器来创建反向降压-升压稳压器。但是，降压和反向降压-升压电路之间的切换电流存在重要的差异。特别是，设计者应注意输出滤波电容的选择和切换电流回路的布局，以获得最佳的可靠性和噪声性能。

审核编辑：Gt