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關(guān)于反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的所有信息

發(fā)布時(shí)間:2023-10-07 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】基于電感器的開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換是電路設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)基本技術(shù)。它使我們能夠通過(guò)高效且緊湊的電路實(shí)現(xiàn)降壓和升壓調(diào)節(jié),而不會(huì)在過(guò)程中引入過(guò)多的復(fù)雜性。


基于電感器的開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換是電路設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)基本技術(shù)。它使我們能夠通過(guò)高效且緊湊的電路實(shí)現(xiàn)降壓和升壓調(diào)節(jié),而不會(huì)在過(guò)程中引入過(guò)多的復(fù)雜性。

我在之前的文章中介紹了降壓和升壓穩(wěn)壓器,今天我們將了解另一種基本開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洌悍聪嘟祲?升壓轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)我在這種情況下使用“基本”一詞時(shí),我指的是由輸出電容以及一個(gè)電感器、一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管組成的電路。我現(xiàn)在提到這一點(diǎn)是為了解釋為什么本文僅介紹反相降壓-升壓架構(gòu),而不包括四開關(guān)降壓-升壓架構(gòu)。

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本布局如下圖 1 所示。該電路接受正輸入電壓并產(chǎn)生負(fù)輸出電壓,該電壓可以大于或小于輸入電壓。


   轉(zhuǎn)換器
圖 1.反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的通用拓?fù)洹?/p>


現(xiàn)在是我在 LTspice 中創(chuàng)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候了。

想在深入研究之前回顧一下基礎(chǔ)知識(shí)嗎?閱讀“什么是開關(guān)穩(wěn)壓器?”,回顧與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器相關(guān)的一般概念。

LTspice電路設(shè)計(jì)

雖然這次我不會(huì)逐步引導(dǎo)您完成原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程,但我想簡(jiǎn)要評(píng)論幾個(gè)方面。

對(duì)于我的降壓轉(zhuǎn)換器原理圖,我采用了一種正式方法,其中借助公式和性能規(guī)格來(lái)確定元件值。對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器,我更多地研究示例電路,并優(yōu)先考慮維持合理電感器尺寸的實(shí)際目標(biāo)。

不過(guò),對(duì)于這個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,我依靠直覺(jué)并輔以反復(fù)試驗(yàn)。開關(guān)模式電源 (SMPS) 功率級(jí)的設(shè)計(jì)有多種方法。公式和數(shù)據(jù)表建議是一個(gè)很好的起點(diǎn),但不要害怕嘗試。

請(qǐng)務(wù)必仔細(xì)檢查您的工作。起初,LTspice 無(wú)法成功運(yùn)行該電路的仿真,我終意識(shí)到電流源指向了錯(cuò)誤的方向!請(qǐng)記住,反相降壓-升壓電路的V OUT為負(fù),因此負(fù)載電流從接地節(jié)點(diǎn)向上流動(dòng)。

我的降壓-升壓原理圖的終版本如圖 2 所示。我們將首先使用它來(lái)檢查反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本操作,然后進(jìn)行模擬以進(jìn)行更詳細(xì)的分析。


 轉(zhuǎn)換器
圖 2.在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。


反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本操作

與之前的轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟粯?,我們將在兩個(gè)不同的操作階段分析降壓-升壓轉(zhuǎn)換器:當(dāng)開關(guān)傳導(dǎo)電流時(shí)(接通狀態(tài)),以及當(dāng)開關(guān)阻塞電流時(shí)(關(guān)斷狀態(tài))。我們將從開啟狀態(tài)開始。

開啟狀態(tài)


轉(zhuǎn)換器
圖 3.接通狀態(tài)下流經(jīng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。


圖 3 顯示了開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下電流通過(guò)電路的路徑: 當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),電流從輸入電源流經(jīng)電感器,然后流至地。

該圖顯示了在接通狀態(tài)下流過(guò)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

電感器正在充電——其電流正在上升。同時(shí),負(fù)載電流完全由輸出電容器提供,我們假設(shè)輸出電容器已經(jīng)充電至輸出電壓。它向上流動(dòng),因?yàn)閂 OUT為負(fù),因此低于地電位。當(dāng)我們討論關(guān)斷狀態(tài)時(shí),我們將了解為什么輸出電容器充電到負(fù)電壓。

由于V OUT為負(fù)且電感器上端子處的電壓約等于V IN,因此二極管反向偏置。然而,由于涉及電壓極性,電流自然會(huì)從輸入側(cè)流向輸出側(cè)。二極管的方向可以防止這種情況發(fā)生。

關(guān)閉狀態(tài)


 轉(zhuǎn)換器
圖 4 顯示了關(guān)斷狀態(tài)下電流的路徑。


該圖顯示了在關(guān)斷狀態(tài)下流過(guò)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

圖 4.關(guān)斷狀態(tài)下流經(jīng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

當(dāng)開關(guān)打開時(shí),電感器嘗試保持一致的電流。這導(dǎo)致其上端子處的電壓下降,直到二極管正向偏置。一旦二極管導(dǎo)通,電感器就充當(dāng)負(fù)載電流的能源;它還通過(guò)電容器吸取電流,使得電容器上端子處的電壓必須低于接地電壓。電容器充電至負(fù)電壓,V OUT變?yōu)樨?fù)值。


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