用替代电源转换拓扑解决升压转换器的漏洞

    之前的一篇文章指出了升压转换器在短路负载条件下的弱点。这篇文章探讨了如何使用 MOSFET、负载开关、具有内置保护功能的开关控制器和保险丝来保护升压转换器免受灾难性故障的影响。本文讨论了比升压转换器更不易受短路负载条件影响的备用电源转换拓扑。

图 1：升压转换器

使用替代电源转换器代替升压

    可以使用替代的电源转换拓扑来代替升压转换器。产生高于输入电压的输出电压 一些常见的是反激式、SEPIC 和降压升压转换器。这些转换器不像升压转换器那样容易受到短路负载条件的影响。这些转换器是升压/降压转换器，这意味着它们可以产生高于或低于输入电压的输出电压。这种升压/降压功能增加了设计的灵活性，尽管使用这些拓扑的解决方案可能比简单的升压转换器效率更低或成本更高。许多驱动这些拓扑结构的 DC-DC 转换器控制器芯片都具有电流模式控制功能，它具有额外的短路保护级别。这些拓扑不 它们本身并不能自行保护电路负载，但如果检测到短路负载，它们可以以停止电流流动的方式关闭。一些 DC-DC 转换器控制器芯片可能包含短路保护功能，而其他芯片可能需要额外的组件才能实现。所有这些拓扑都比升压转换器更不容易受到攻击。由设计人员决定这些拓扑中的一种是否可以很好地替代特定设计的升压转换器。所有这些拓扑都比升压转换器更不容易受到攻击。由设计人员决定这些拓扑中的一种是否可以很好地替代特定设计的升压转换器。所有这些拓扑都比升压转换器更不容易受到攻击。由设计人员决定这些拓扑中的一种是否可以很好地替代特定设计的升压转换器。

反激式转换器

反激式转换器是一种升压/降压 DC-DC 转换器。输入和输出电压之间的比率为 $$\frac{Vout}{Vin} = \frac{N*D){1-D}$$。图 2 是反激式转换器的简化示意图。请注意，如果检测到短路，原理图中的 MOSFET 可能会关闭以保护转换器。一些反激式控制器 IC 具有电流模式控制功能，可限制电感器电流。这提供了额外的短路保护。升压转换器可以通过用耦合电感器替换电感器来更改为反激式转换器。 \frac{Vout}{Vin} = \frac{N*D){1-D}\frac{Vout}{Vin} = \frac{N*D){1-D}

图 2：反激式转换器的简化原理图

图 3 是同步反激式转换器的简化原理图。在同步转换器中，二极管被 MOSFET 取代以提高效率。 

图 3：同步反激式转换器的简化原理图

反激拓扑的一些优点包括：

• 短路保护。
• 只需要一个 MOSFET 和一个二极管。
• 比升压转换器更好的宽范围调节
• 可以隔离。
• 可以是一个廉价的解决方案

反激拓扑的一些缺点包括：

• 需要耦合电感。
• 由于变压器，MOSFET 会出现更高的电压尖峰
• 可能需要一个缓冲电路来消散电压尖峰。

同步反激式控制器的示例是 Microchip 的 MCP19115。MCP19915 是一款集成了微控制器的反激和升压控制器。它可以做同步或非同步转换器。

非同步反激式控制器的一个例子是凌力尔特的 LT3748。

SEPIC转换器

    SEPIC 转换器是一个反激式转换器，在绕组之间放置了一个隔直电容器。输入和输出电压之间的比率为 $$\frac{Vout}{Vin} = \frac{D}{1-D}$$。图 4 是反激式转换器的简化示意图。注意此示意图显示了使用耦合电感构建的 SEPIC，以减少电路板空间。如果检测到短路，原理图中的 MOSFET 可能会关闭以保护转换器。隔直流电容器还增加了短路保护。一些 SEPIC 控制器 IC 具有电流模式控制，可限制电感器电流。这提供了额外的短路保护。通过添加隔直电容器并使用耦合电感器或 2 个独立电感器，可以将升压转换器变为 SEPIC 转换器。$$\frac{Vüt}{V}=\frac{D}{1-D}$$

图 4： SEPIC 转换器的简化原理图

SEPIC 拓扑的一些优点是：

• 升压/降压转换器。
• 只需要一个 MOSFET 和一个二极管。
• 短路保护。

缺点：

• 需要第二个电感器或耦合电感器。
• 更复杂的电路要稳定。
• 隔直流电容的额定值需要能够承载所有负载电流。

用于构建 SEPIC 转换器的开关控制器的一个很好的例子是 Microchip 的 MCP1630，尽管任何升压控制器芯片都可以驱动 SEPIC 控制器。

升降压转换器

降压升压转换器实际上是降压转换器与升压转换器相结合，使用单个电感器。输出电压与输入电压之比为 $$\frac{Vout}{Vin} = \frac{D}{1-D}$$。如果检测到短路负载，则可以关闭 MOSFET。许多降压-升压转换器具有电流模式控制功能，可限制电感器电流，提供额外的短路保护。该电路使用四个开关。它使用两个 MOSFET 和两个二极管，或者提供使用四个 MOSFET 的高效版本。该转换器比其他转换器成本更高，因为它需要专门的转换器控制器，而这些控制器不像降压、升压、反激式或 SEPIC 转换器那样常见。四个开关还增加了成本。$$\frac{Vüt}{V}=\frac{D}{1-D}$$

图 5：非同步

图 6：同步降压升压

降压-升压拓扑的一些优点包括：

• 短路保护
• 升压/降压，
• 无耦合电感。
• 一些转换器在降压和升压模式之间切换以提高效率。
• 处理广泛的输入。
• 可实现为同步转换器以提高效率。

降压-升压拓扑的一些缺点包括：

• 需要 4 个开关。
• 控制器 IC 不如反激式、升压、SEPIC 控制器常见，而且成本更高。
• 每个开关都是有损元件，会降低效率。

德州仪器 (TI) 的 LM5118 是非同步降压-升压控制器的一个很好的例子。它具有电流模式控制，可限制逐周期电感器电流。这增加了额外的短路保护级别。同步降压-升压控制器的一个很好的例子是凌力尔特的 LT8490 控制器。