youyizhonggengjiandandefangfashi，caiyongdangejiangyazhuanhuanqiheouhedianganqihuobianyaqi
，jiangqipeizhiweigelishizhuanhuanqituopu。shejigongchengshikeyishiyongjiangyazhuanhuanqitigongfanxianghuofeifanxiangdianyagui，keyijiangqipeizhiweifanxiangjiangya-升壓轉換器使用。耦合電感或變壓器也可與降壓-升壓轉換器一起使用，以生成具有升壓/降壓功能的多個反相或非反相輸出。

 

本文將重點討論各種隔離式/非隔離式 DC/DC轉換器拓撲，並展示如何用單個同步降壓轉換器實現這些拓撲。我們還將探討其他拓撲，並展示這些拓撲是如何適合各種應用的。

 

 

 

A. +/-降壓輸出

 

B. +/+降壓輸出

 

C. +/+/-降壓輸出

 

反相降壓-升壓（步升然後步降）輸出

 

隔離式+/-降壓-升壓輸出

 

三種DC/DC轉換器拓撲

 

基於單個降壓轉換器生成各種轉換器拓撲的優點是
，不需要光耦合器及其相關電路。這可以縮小占板麵積、減少元件數量、降低複雜度和成本。除了生成多個輸出，降壓轉換器還可配置成反相降壓-升壓轉換器，本質上提供了升壓功能。此外
，設計工程師還可以利用類似概念，創建隔離式降壓-升壓轉換器。

 

 

 

用一個隔離式降壓拓撲，可以生成反相和非反相降壓輸出。圖1顯示了這種拓撲如何為需要一個正電源和一個負電源的應用提供+/-輸出軌。              

 

 

圖1. 同步降壓穩壓器利用隔離式降壓拓撲生成± Vout軌

 

參照圖1

，主和次級輸出由下列方程式給出，假定耦合電感或變壓器的漏感和繞組的DC電阻可以忽略不計：

 

 

其中VIN是輸入電壓，VO1和VO2分別是主和次級輸出，D是占空比，N是變壓器匝數比，是二極管的正向壓降。

 

在高壓側開關接通的周期中（圖1中綠色箭頭指示的電流），主zhu電dian流liu斜xie坡po上shang升sheng，並bing將jiang電dian量liang儲chu存cun在zai變bian壓ya器qi的de磁ci化hua電dian感gan和he主zhu輸shu出chu電dian容rong器qi中zhong。二er次ci側ce的de二er極ji管guan反fan向xiang偏pian置zhi
，二er次ci側ce的de負fu載zai電dian流liu由you輸shu出chu電dian容rong器qi提ti供gong。

 

在低壓側開關接通的周期中（圖1中紅色箭頭指示的電流），主zhu電dian流liu斜xie坡po下xia降jiang，並bing釋shi放fang變bian壓ya器qi磁ci化hua電dian感gan中zhong存cun儲chu的de能neng量liang，一yi次ci側ce負fu載zai電dian流liu由you輸shu出chu電dian容rong器qi提ti供gong。二er次ci側ce的de二er極ji管guan正zheng向xiang偏pian置zhi
，電dian流liu從cong變bian壓ya器qi流liu出chu供gong給gei負fu載zai，為wei二er次ci側ce輸shu出chu電dian容rong器qi充chong電dian。在zai穩wen定ding狀zhuang態tai下xia，假jia定ding二er極ji管guan壓ya降jiang、變壓器繞組電阻和漏感可忽略不計，二次側輸出電壓與主輸出電壓成反比。圖2顯示了ISL85413 DEMO3Z +/-輸出隔離降壓演示電路板的工作波形。

 

 

圖2. ISL85413DEMO3Z在VIN=9V
、VO1=VO2=5V、IO1=IO2=100mA時的工作波形

 

 

仍(reng)然(ran)運(yun)用(yong)通(tong)過(guo)耦(ou)合(he)電(dian)感(gan)器(qi)或(huo)變(bian)壓(ya)器(qi)生(sheng)成(cheng)次(ci)級(ji)輸(shu)出(chu)這(zhe)個(ge)概(gai)念(nian)，但(dan)二(er)次(ci)側(ce)可(ke)以(yi)按(an)不(bu)同(tong)方(fang)式(shi)配(pei)置(zhi)，以(yi)生(sheng)成(cheng)正(zheng)或(huo)負(fu)的(de)次(ci)級(ji)電(dian)壓(ya)。為(wei)了(le)生(sheng)成(cheng)正(zheng)次(ci)級(ji)輸(shu)出(chu)
，要(yao)將(jiang)變(bian)壓(ya)器(qi)/耦合電感器和二次側二極管的極性反過來。圖3顯示了隔離式降壓拓撲生成兩個+VOUT軌。

 

 

圖3.生成兩個+ VOUT軌的隔離式降壓拓撲（ISL85415DEMO2Z）

 

 

圖4顯示了生成3個輸出（2個+VOUT和1個-VOUT軌）的隔離式降壓拓撲。+/+/- 隔離降壓演示電路板ISL854102DEMO2Z可用來展示這種拓撲。就多輸出配置而言，必須考慮不同輸出反射到一次側的總電流，以確保該IC能夠處理所生成的電流。

 

 

圖4. 生成3個輸出的隔離式降壓拓撲：2個+VOUT和1個-VOUT軌（ISL854102DEMO2Z）

 

針對以上電路的方程式如下：

 

 

其中VO1是主輸出，VO2和VO3分別是正和負次級輸出，D是占空比，N1和N2分別是與VO2和VO3對應的變壓器的匝數比。Vdiode是二極管的正向壓降
，IOUT1、IOUT2和IOUT3分別是由VO1、VO2和VO3生成的輸出電流，Ids_pk是通過頂部開關的峰值電流
，△i是主電感器紋波電流的三角部分。

 

 

可以從同步降壓轉換器派生出反相降壓-升壓轉換器，連接方式為


，將GND端子作為降壓-升壓轉換器反相輸出、將降壓轉換器的VOUT端子作為降壓-升壓轉換器的GND。圖5是將ISL85415降壓轉換器配置成反相降壓-升壓轉換器的電路框圖。

 

 

圖5. 將ISL85415降壓轉換器配置成反相降壓-升壓轉換器

 

輸出電壓和輸出電流的方程式如下：

 

 

其中，VIN是輸入電壓
，VO1是輸出電壓，D是占空比
，IOUT是輸出電流
，IL是電感器電流。

 

在高壓側開關接通的周期中（圖5中綠色箭頭指示電流），電感器電流斜坡上升，將能量儲存在電感器中，輸出電容器向負載提供電流。在低壓側開關接通的周期中（圖5中紅色箭頭指示電流）

，電感器電流斜坡下降
，向負載提供電流，並為輸出電容器充電。ISL85415EVAL2Z反相降壓-升壓電路板的工作波形如圖6所示。

 

 

圖6. ISL85415EVAL2Z在VIN=12V
、VO=-5V


、IO=-300mA時的工作波形

 

 

可以采用隔離式降壓-升壓拓撲實現±升壓/降壓輸出電壓。濾波電感器可以用變壓器（或耦合電感器）代替
，以得到正次級輸出。圖7顯示了生成±升壓/降壓VOUT軌的隔離式降壓-升壓拓撲。圖8顯示了ISL854102DEMO3Z隔離式降壓-升壓穩壓器電路板的工作波形。

 

 

圖7. 隔離式降壓-升壓拓撲生成±VOUT軌

 

以上電路的電壓和電流方程式如下：

 

 

其中VIN是輸入電壓，VO2是次級輸出電壓
，Vdiode是二極管正向壓降，D是占空比，N是變壓器匝數比，Ids_pk是通過頂部開關的峰值電流，△i是主電感器紋波電流的三角部分，IOUT1和IOUT2分別是由VO1和VO2,生成的輸出電流。

 

 

圖8. ISL854102DEMO3Z在VIN=24V
、VO1=VO2=5V、IO1=500mA、IO2=500mA時的工作波形

 

 

 

在圖3中

，我們展示了一種雙正輸出的拓撲。要生成倍壓器或2個不同的正電壓，次級輸出的負端子可以連接到正主輸出上
，如圖9所示。

 

 

圖9. 堆疊正輸出轉換器拓撲

 

低壓差（LDO）穩壓器可用來生成雙穩壓輸出。圖10顯示了生成雙穩壓和單個非穩壓正輸出的配置。在這個配置中，次級側的輸出通過電阻分壓器將次級輸出連接到反饋來調節。 主輸出電壓使用LDO調節。

 

 

圖10. 使用額外的LDO實現雙穩壓輸出

 

電氣隔離和多輸出應用在各種電源電子電路應用中很常見，如：電信，工業可編程邏輯控製器（PLC）
，工廠自動化，隔離式通信接口（即RS-485、RS-232），用於柵極驅動、傳感器、運算放大器
、電機驅動應用的偏置電源，以及需要正和負電壓軌的任何應用。本節重點討論幾種應用，並解釋如何運用各種拓撲。

 

1.放大器電源

 

雙電源放大器比較常見
，因為它效率更高，能夠在不導致DC損耗的前提下複製輸入波形。圖11A顯示了具有±12V軌的音頻放大器
，圖11B顯示了具有±5V軌的運算放大器。

 

 

 

 

圖11A. 具有±12V軌的音頻放大器

 

圖11B. 具有±5V軌的運算放大器

 

為這類應用選擇合適的拓撲時
，需要考慮輸入電壓。例如，為以±12V軌運行的音頻放大器供電

，如果輸入電源軌是24V，就選擇隔離式降壓拓撲。如果使用12V電池，就可以用反相降壓-升壓拓撲

，以生成負壓軌。如果使用5V USB
、12V電池或綠色能源供電的係統
，就應該采用隔離式降壓-升壓拓撲。圖12說明了如何用各種拓撲給音頻放大器供電。
 

 

 

圖12A. 用隔離式降壓拓撲提供24V輸入電源

 

 

圖12B. 輸入電源為12V電池時，用反相降壓-升壓拓撲生成負壓軌

 

 

圖12C. 輸入電源為5V USB或12V電池時，采用隔離式降壓-升壓拓撲

 

類似地，對以下應用中一些既需要正壓軌、又需要負壓軌的應用而言，根據不同輸入電源軌，可以分別使用圖12A、12B和12C所示的3種拓撲。

 

 

隔離式柵極驅動器一般用於大功率逆變器應用，包括UPS係統

、電機控製
、高密度放電（HID）燈鎮流器和感應加熱。其他應用包括AC和DC變速驅動
、工業/太陽能逆變器和伺服驅動。圖13顯示了使用隔離式降壓轉換器的具有IGBT柵極驅動偏置的3相逆變器。

 

 

圖13. 使用隔離式降壓轉換器、具有隔離式IGBT柵極驅動偏置的3相逆變器

 

 

現在的電信和數據通信係統采用了各種接口標準。例如，射極耦合邏輯（ECL）

、共模邏輯（CML）、低電壓差分信號（LVDS）等

，這些接口標準用在圖形顯示接口、通信設備的移動/服務器芯片組、消費類和移動應用中。類似扇出緩衝器、時鍾驅動器
、接收器等器件常常需要反相和非反相電源軌。

 

線(xian)路(lu)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)用(yong)來(lai)驅(qu)動(dong)負(fu)載(zai)的(de)電(dian)子(zi)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)路(lu)
，如(ru)傳(chuan)輸(shu)線(xian)。常(chang)常(chang)使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)電(dian)路(lu)，因(yin)為(wei)這(zhe)類(lei)電(dian)路(lu)抗(kang)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)較(jiao)高(gao)，能(neng)夠(gou)更(geng)可(ke)靠(kao)地(di)攜(xie)帶(dai)高(gao)比(bi)特(te)率(lv)的(de)信(xin)號(hao)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)非(fei)反(fan)相(xiang)和(he)反(fan)相(xiang)電(dian)源(yuan)軌(gui)。

 

圖14顯示了LVDS/PECL驅動器至CML接收器接口的框圖。

 

 

圖14. LVDS/PECL驅動器至CML接收器接口的框圖

 

 

可編程邏輯控製器（PLC）常常用在工業自動化係統中，用來控製製造流程。PLC由幾種硬件係統元件組成，需要不同的電源軌。圖15顯示了PLC各種硬件構件的電源樹。

 

 

圖15. PLC各種硬件構件的電源樹

 

 

正如以上討論的，根據不同的輸入電壓軌，設計工程師可以選擇不同的拓撲
，來提供適用於各種應用的電源軌。表1總結了適合不同應用的拓撲。

 

 

表1.適合不同應用的拓撲總結

 

 

在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)展(zhan)示(shi)了(le)如(ru)何(he)通(tong)過(guo)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)路(lu)配(pei)置(zhi)，用(yong)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)生(sheng)成(cheng)多(duo)個(ge)輸(shu)出(chu)和(he)反(fan)相(xiang)輸(shu)出(chu)。我(wo)們(men)也(ye)為(wei)各(ge)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)推(tui)薦(jian)了(le)適(shi)合(he)的(de)應(ying)用(yong)。用(yong)一(yi)個(ge)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)代(dai)替(ti)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，幫(bang)助(zhu)新(xin)手(shou)和(he)專(zhuan)家(jia)級(ji)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)師(shi)簡(jian)化(hua)了(le)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)。這(zhe)種(zhong)做(zuo)法(fa)還(hai)縮(suo)小(xiao)了(le)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)占(zhan)板(ban)麵(mian)積(ji)
、降低了電路複雜性和物料成本並縮短了產品上市時間。



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