【導讀】H橋降壓-升壓集成電路(IC)通(tong)常(chang)用(yong)於(yu)即(ji)使(shi)係(xi)統(tong)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)降(jiang)至(zhi)較(jiao)低(di)水(shui)平(ping)時(shi)仍(reng)需(xu)要(yao)恒(heng)定(ding)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)源(yuan)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)。當(dang)需(xu)要(yao)單(dan)級(ji)轉(zhuan)換(huan)器(qi)且(qie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)可(ke)高(gao)於(yu)或(huo)低(di)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)時(shi)，通(tong)常(chang)會(hui)使(shi)用(yong)此(ci)類(lei)IC。此外

，此類IC可用作LED應用的電流源
，從而將典型的先升壓後降壓的設計簡化為單級設計。由於耦合電感的成本問題，與其他降壓-升壓拓撲（如單端初級電感轉換器(SEPIC)）相比
，此類IC可能更受青睞。

顧名思義
，H橋降壓-升(sheng)壓(ya)架(jia)構(gou)是(shi)將(jiang)降(jiang)壓(ya)電(dian)路(lu)和(he)升(sheng)壓(ya)電(dian)路(lu)組(zu)合(he)成(cheng)單(dan)個(ge)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)複(fu)合(he)結(jie)構(gou)。其(qi)中(zhong)需(xu)要(yao)用(yong)到(dao)四(si)個(ge)開(kai)關(guan)，這(zhe)些(xie)開(kai)關(guan)通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)與(yu)輸(shu)入(ru)之(zhi)間(jian)的(de)比(bi)率(lv)來(lai)確(que)定(ding)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)，從(cong)而(er)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)。

圖1.典型的H橋降壓-升壓配置。

H橋降壓-升壓轉換器通過在多種模式中切換來工作。當輸入電壓遠高於輸出電壓時，電路將通過切換開關1和開關2以純降壓模式運行（見圖1）。當輸入電壓遠低於輸出電壓時，電路將通過切換開關3和開關4以純升壓模式運行（見圖1）。當輸入電壓接近輸出電壓時，電路將以降壓-升壓模式運行。在這種模式下，有幾種方法可以控製四個開關以實現適當的調節。

工作模式

為(wei)了(le)確(que)定(ding)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)，電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)與(yu)輸(shu)入(ru)的(de)比(bi)率(lv)。然(ran)後(hou)將(jiang)該(gai)比(bi)率(lv)與(yu)內(nei)部(bu)設(she)定(ding)值(zhi)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，以(yi)確(que)定(ding)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)。通(tong)常(chang)，這(zhe)些(xie)值(zhi)會(hui)設(she)置(zhi)一(yi)定(ding)的(de)滯(zhi)後(hou)量(liang)
，以(yi)確(que)保(bao)在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)時(shi)
，不(bu)同(tong)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)之(zhi)間(jian)能(neng)夠(gou)平(ping)滑(hua)過(guo)渡(du)。

降壓區域

當降壓模式的內部比較器因輸出電壓顯著低於輸入電壓而觸發時
，電路將作為純降壓轉換器運行。要在降壓區域工作，開關3必須始終閉合，開關4必須始終斷開。隨後
，開關1和開關2可像在普通強製脈寬調製(FPWM)降壓轉換器中那樣切換LX1（見圖2）。

圖2.18 V至12 V降壓工作模式。

升壓區域

當升壓模式的內部比較器因輸出電壓顯著高於輸入電壓而觸發時
，電路將作為純升壓轉換器運行。要在升壓區域工作
，開關1必須始終閉合

，開關2必須始終斷開。隨後

，開關3和開關4可像在普通強製脈寬調製(FPWM)升壓轉換器中那樣切換LX2（見圖3）。

圖3.6 V至12 V升壓工作模式。

降壓-升壓區域

當輸出電壓接近輸入電壓（略高或略低）時

，電路將在降壓-升壓區域工作。

降壓-升壓交替控製

通過降壓-升sheng壓ya交jiao替ti控kong製zhi，電dian路lu將jiang通tong過guo在zai降jiang壓ya側ce和he升sheng壓ya側ce之zhi間jian交jiao替ti切qie換huan來lai調tiao節jie輸shu出chu。具ju體ti而er言yan
，電dian路lu初chu始shi時shi將jiang運yun行xing降jiang壓ya開kai關guan，而er占zhan空kong比bi由you補bu償chang電dian壓ya設she定ding。降jiang壓ya開kai關guan會hui在zai一yi個ge完wan整zheng的de開kai關guan周zhou期qi內nei工gong作zuo，之zhi後hou電dian路lu切qie換huan至zhi升sheng壓ya側ce。一yi旦dan降jiang壓ya側ce完wan成cheng一yi個ge完wan整zheng周zhou期qi，升sheng壓ya側ce將jiang開kai始shi切qie換huan
，其qi占zhan空kong比bi同tong樣yang由you補bu償chang電dian壓ya控kong製zhi。這zhe種zhong工gong作zuo方fang式shi允yun許xuH橋的兩側根據需要調整每個降壓和升壓脈衝，達到調節輸出的目的。此外，由於H橋的每一半僅在另一側完成切換後才會動作，因此工作頻率實際上會減半（見圖4）。

圖4.降壓-升壓區域。

這種控製方法具有諸多優勢。首先是效率方麵，由於在降壓-升壓區域開關頻率減半，開關損耗隨之減少。在電磁幹擾(EMI)方麵也有類似的改善效果。盡管開關頻率減半，但它始終保持一致
，從而簡化了EMI問題。另外，這種方法還能改善瞬態響應。這是因為當輸出略高於輸入時
，有效升壓占空比會更低。因此，在這種控製方案中

，降壓-升壓區域的右半平麵零點(RHPZ)可保持在更高頻率。

要了解電路在降壓-升壓區域中的調節方式，不妨考慮輸入略高於輸出的情況。在降壓-升壓周期的一開始，通過閉合開關1和3來控製降壓側

，這會使得電感電流以(VIN - VOUT )/L1的斜率上升至峰值。一旦降壓導通時間結束
，控製環路將斷開開關1並閉合開關2。在降壓周期的關斷時間內，電感電流將以VOUT/L1的de斜xie率lv下xia降jiang至zhi穀gu值zhi，從cong而er確que定ding電dian感gan的de峰feng峰feng值zhi紋wen波bo。當dang降jiang壓ya側ce完wan成cheng一yi個ge完wan整zheng的de開kai關guan周zhou期qi後hou，邏luo輯ji電dian路lu將jiang切qie換huan至zhi升sheng壓ya側ce。升sheng壓ya側ce首shou先xian會hui斷duan開kai開kai關guan2，並保持開關1和3閉合，這一動作對應升壓的關斷時間。此時電感電流將以與降壓導通時間相同的方式上升，電流斜率為(VIN - VOUT )/L1。當升壓關斷時間結束後，控製環路將通過斷開開關3並閉合開關4來設定升壓導通時間，這會使得電感電流以VIN/L1的斜率重新上升至降壓導通時間開始時的水平（見圖5）。

圖5.降壓-升壓開關(VIN > VOUT)。

接下來，考慮VIN略低於VOUT的情況。在這種情況下，每個開關周期保持不變。兩種情況的主要區別在於：當VIN > VOUT時，電感電流紋波由降壓關斷時間設定
；而當VIN < VOUT時，電感電流紋波則由升壓導通時間設定。在降壓-升壓區域中，電感電流紋波還會翻倍，這是因為H橋的降壓側和升壓側的工作頻率減半。如圖6所示，電感電流僅在一個完整的降壓和升壓周期完成後才會完成一個完整周期。

圖6.降壓-升壓開關(VOUT > VIN)。

效率優勢

在降壓-升壓電路中
，當電路進入降壓-升壓區域時
，整體功率級效率會下降。而采用交替控製時，降壓-升壓區域的效率可得到提升，這得益於降壓-升壓區域內有效頻率的降低。例如，在降壓工作模式下，若工作頻率為2.1 MHz，則開關1和開關2每476 ns完成一次開關動作。當電路在升壓區域工作時
，開關3和開關4的工作邏輯同理。而在降壓-升壓區域工作時
，這一機製仍然成立
，隻是此時開關會在兩側之間交替切換。這意味著，即使在降壓-升壓區域，開關動作的次數仍然保持不變
，從而使這種控製方法的效率更優。

瞬態響應優勢

來看一下輸出略高於輸入的情況。此時電路處於降壓-升壓區域。由於電路的升壓作用強於降壓作用，升壓模式的RHPZ對電路的影響將更為顯著。而采用降壓-shengyajiaotikongzhishi
，zhezhongyingxianghuijianruo，yinweizaishengyaquyu，diangandianliunenggouyigengchangdeshijianxieposhangsheng。zheyeyiweizhe
，shurudianyadebianhuaduishuchudeyingxianggengxiao
，yuanyinzaiyudiangandianliuketongguogengchangdexieposhangshengshijian，gengkuaidibuchangshurudianyadebodong。

降壓-升壓電路的瞬態優化

在對降壓-升壓集成電路進行補償時
，交越頻率的選擇必須考慮最壞情況下的負載
、輸入電壓、輸出電容值和電感值。由於降壓-升壓集成電路可在升壓區域工作
，最壞情況下的VIN可能會使電路進入純升壓模式。當電路工作在純升壓模式時，會受到RHPZ的額外限製。由於RHPZ與電感充電和向輸出端傳輸能量之間的時間延遲相關

，因此必須對環路進行補償，使其頻率為該零點頻率的1/3至1/5。正因如此，即便在無RHPZ的降壓區域有更大帶寬可用，降壓-升壓電路的瞬態響應仍會受到限製。通常
，為了補償控製環路
，會使用由補償電阻Rcomp1和補償電容Ccomp組成的阻容(RC)補償網絡，以提供合適的相位和增益。為了優化升壓和降壓區域的瞬態響應，可在RC補償網絡中額外增添一個電阻(Rcomp2)，並在Rcomp2兩端並聯一個開關


，使其根據電路工作區域來接入或斷開補償網絡。當電路工作在升壓模式時
，開關將Rcomp2短路，從而降低交越頻率
；當電路進入降壓-升壓或降壓區域時

，開關斷開，Rcomp2有(you)助(zhu)於(yu)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)升(sheng)增(zeng)益(yi)和(he)相(xiang)位(wei)。這(zhe)將(jiang)產(chan)生(sheng)提(ti)高(gao)交(jiao)越(yue)頻(pin)率(lv)的(de)效(xiao)果(guo)。這(zhe)種(zhong)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)可(ke)使(shi)電(dian)路(lu)在(zai)升(sheng)壓(ya)區(qu)域(yu)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)低(di)的(de)交(jiao)越(yue)頻(pin)率(lv)，同(tong)時(shi)在(zai)降(jiang)壓(ya)區(qu)域(yu)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)高(gao)的(de)交(jiao)越(yue)頻(pin)率(lv)（見圖7）。

圖7.瞬態改善電路。

控製環路（平均電流模式控製）

降壓-升壓電路的控製環路實現方式有多種，其中最受關注的是平均電流模式控製，它具備其他控製方式所不具備的諸多優勢。

抗噪聲能力

在平均電流模式控製中，電感電流會被感測並與補償電平進行比較，隨後輸入至包含RC補bu償chang網wang絡luo的de內nei環huan誤wu差cha放fang大da器qi。該gai積ji分fen器qi為wei內nei環huan提ti供gong高gao增zeng益yi，經jing補bu償chang的de內nei環huan信xin號hao再zai與yu鋸ju齒chi波bo比bi較jiao以yi生sheng成cheng占zhan空kong比bi。這zhe種zhong設she計ji具ju備bei更geng強qiang的de抗kang噪zao能neng力li，因yin為wei環huan路lu調tiao節jie的de是shi平ping均jun電dian流liu
，電dian感gan波bo形xing中zhong的de任ren何he電dian流liu尖jian峰feng都dou會hui被bei濾lv除chu。以yi峰feng值zhi或huo穀gu值zhi電dian流liu模mo式shi控kong製zhi為wei例li
，當dang感gan測ce到dao的de電dian感gan電dian流liu相xiang對dui於yu峰feng值zhi或huo穀gu值zhi較jiao小xiao時shi

，若ruo感gan測ce電dian流liu上shang的de任ren何he尖jian峰feng未wei經jing過guo前qian沿yan消xiao隱yin或huo濾lv波bo處chu理li，可ke能neng會hui導dao致zhi采cai樣yang錯cuo誤wu
，進jin而er削xue弱ruo抗kang噪zao聲sheng能neng力li。即ji便bian采cai用yong濾lv波bo措cuo施shi，在zai低di負fu載zai電dian流liu下xia
，斜xie率lv補bu償chang量liang相xiang對dui於yu感gan測ce信xin號hao可ke能neng過guo大da，也ye會hui造zao成cheng調tiao節jie偏pian差cha增zeng大da。

最小導通時間和最小關斷時間

youyupingjundianliumoshikongzhizaineihuandianliuhuanluzhongcaiyongjifenqi，bingjiangjuchiboshuruzhibijiaoqiyishengchengzhankongbi，qizuixiaodaotongshijianhezuixiaoguanduanshijianxianzhuxiaoyufengzhidianliumoshihuoguzhidianliumoshi。houliangzhongmoshiyinxupeizhiqianyanxiaoyindengdianlu，huidaozhizuixiaodaotong/關斷時間更長。

無需斜率補償

平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)無(wu)需(xu)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)，由(you)此(ci)簡(jian)化(hua)了(le)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)的(de)設(she)計(ji)，因(yin)為(wei)它(ta)不(bu)再(zai)受(shou)附(fu)加(jia)斜(xie)率(lv)的(de)影(ying)響(xiang)。由(you)於(yu)無(wu)需(xu)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)
，與(yu)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)相(xiang)比(bi)
，平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)在(zai)不(bu)連(lian)續(xu)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)(DCM)下也具有更優的性能
，而峰值電流模式中斜率補償量可能在感測信號中占比較大。

並聯操作

多(duo)轉(zhuan)換(huan)器(qi)並(bing)聯(lian)運(yun)行(xing)時(shi)，平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)可(ke)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)均(jun)流(liu)效(xiao)果(guo)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)外(wai)環(huan)會(hui)設(she)定(ding)各(ge)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)，而(er)峰(feng)值(zhi)或(huo)穀(gu)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)由(you)於(yu)各(ge)轉(zhuan)換(huan)器(qi)電(dian)感(gan)存(cun)在(zai)細(xi)微(wei)差(cha)異(yi)，會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)出(chu)現(xian)偏(pian)差(cha)。

設計示例

目標是設計一個電路
，其VIN範圍為6 V至18 V，VOUT為13 V，負載為2.5 A
，需盡量減少輸出電容，而且要使VOUT pp在±5%以內。若要將輸出電容最小化，可先選擇2.1 MHz的開關頻率。在2.1 MHz頻率下，電感值通常選用1 µH。VOUT限值允許650 mV的瞬態波動。為估算所需的輸出電容，首先需考慮最壞情況的VIN，這種情況會使電路處於升壓區域。在升壓區域中，RHPZ可通過公式1計算。

通過求解RHPZ並將其除以5，可將升壓區域的交越頻率設定為35 kHz。輸出電容可通過公式2進行估算。

通過求解該公式，估算出輸出電容為17.5 µF。將該值向上取整為22 µF。在選定元件後

，可從升壓區域開始設計補償網絡，以實現35 kHz的交越頻率。選定Rcomp和Ccomp後，就必須針對18 VIN的降壓區域對電路進行補償。由於該區域不存在RHPZ，因此將交越頻率選為100 kHz，隨後可調節Rcomp2來實現這一交越頻率。一切就緒後
，需檢查每種情況下的瞬態響應。由於添加了Rcomp2
，降壓區域和降壓-升壓區域中的瞬態響應得以改善。參見圖8、圖9和圖10。

圖8.6 VIN時的升壓瞬態(426 mV)。

圖9.18 VIN時的降壓瞬態(167 mV)。

圖10.13 VIN時的降壓-升壓瞬態(201 mV)。

結語

為優化降壓-升壓電路，可采用降壓-升壓交替控製。相較於傳統控製方法
，交替控製具有諸多優勢
，包括改善瞬態響應、提升效率、簡化設計及降低電磁幹擾(EMI)。此外
，通過增添補償電阻Rcomp2來拓展控製環路帶寬，可進一步優化降壓-升壓電路的瞬態響應性能。

作者簡介

Mark Derhake是一位擁有超過三年行業經驗的應用工程師。他於2020年畢業於美國南伊利諾伊大學愛德華茲維爾分校
，獲電氣與計算機工程學士學位。2021年，他加入Maxim（現隸屬於ADI公司），從事LED產品相關工作
，包括矩陣管理器、LED電流源、線性LED穩壓器以及集成降壓-升壓集成電路。