DC-DC升降压电路的几种个人方案

DC-DC升降压电路的几种解决方案（成都信息工程学院 科技创新实验室）W00DSTOCK前一段时间，本着学习的态度参加了TI杯校赛，做了其中的一个直流升降压的题，作品没做的很好，但是在准备期间，我对各种可行电路都做了尝试，一些心得拿出来与大家分享，也望各路大侠对不妥之处不吝赐教。我们在实际应用中，经常会出现系统中各个模块供电不统一，或者供电电源的电压时变化的（比如汽车中的电池电压受温度影响而变化），在只有一个电源提供供电的时候，同时可以升压或降压的电路就变得非常有用。下面，来看一下我想到的几种升降压问题的解决方案。非隔离式开关电源的基本电路一般有三种：Buck降压电路、Boost升压电路、Buck-boost极性反转升降压电路。要实现同时升降压功能，首先想到的肯定是Buck-Boost 极性反转电电路。图表 1 极性反转电路原理示意这种拓扑结构的电路能够输出与输入相反的、可以比输入电压更高或者更低的电压，并且整体的效率也很高。但缺点也很明显：一就是极性相反，当输入电压是正压且要求输出也是正的时候，我们还要对输出电压进行反向，这就是一件很麻烦的事；但是，有时我们需要的就是负压的时候，这个缺点又会有一种很大的用处。缺点二就是，这种拓扑结构电路的电流脉动值很大，输出滤波不好处理。在实际制作中，我选择了用TI的Buck型降压芯片TPS5430来做开关管以及驱动的部分，更方便控制，简化了电路。还有一个缺点是，这种电路不方便数控，而且没法直接用AD采输出电压。下面这个是我做的一个控制TPS5430反馈的电路。图表 2 LM324做控制电路常见的来解决这个问题的还有另外一种电路，就是把boost电路和buck电路 结合起来。但是怎样结合？方法有很多种。第一种，直接拼接。比如输入电压时5-12V，输出电压要10V，那么我们就可以使用升压电路将输入电压统一升到13V，然后再使用电压可调节的降压电路来提供输出电压。在做这个方案时，我升压用了TI的TPS61175，输入范围是3-18V，输出范围是3-65V，最大输出电流时3A。降压同样用了TPS5430。图表 3 TPS5430降压电路图表 4 TPS61175升压电路但是这种电路结构最致命的问题就是，效率上不去。因为这种电路对电压做了两级的处理，假设每级的效率都有90%的话，总体的效率也才80%，而且两个开关芯片开关频率不同，彼此之间的开关噪声影响很大。第二种，是升降压选择法。即先判断输入电压，确定输出电压后判断该升还是该降。在电路输入端和DC转换模块之间，使用继电器或场管来做开关，选择电路工作的模式。这种电路容易理解、硬件设计相对比较简单，难在判断控制。另外这种电路存在一个大问题，当要求输入电压和输出电压相同时，这种电路就无能为力了。第三种拼接的方法，则是这几种方案中，我觉得最好的一种方案。先看一下拓扑图：图表 5 双场管升降压电路其实这是在第一种拼接方法基础上的改进电路，巧妙合并了Buck电路和Boost电路，简化了电路，节省了电路损耗。要降压的时候，关掉第二个场管，使用PWM波控制第一个场管即可，要升压的话，就保持第一个场管完全开启，使用PWM波控制第二个场管即可。在使用分离原件去搭DC电路的时候，一定得特别重视开关频率的设定，以及与之匹配的二极管、电感、电容。这种电路做好的话，效率可以在90%以上。这个电路结构比较简单，就不贴图了，附张光耦驱动的电路吧。第四种方法是第三种的改进版，是使用的集成芯片来完成这个电路。看了许多芯片的资料，最后我选择的是LM5118，它具有超宽的电压输入范围：3-70V，输出电压范围也在3-75V的宽范围，最大输出电流3A，效率可以做到95%。但是这个芯片比较娇贵，不好调，而且PWM输出驱动能力较弱。我选用了官方PDF推荐的场管SI7148,低压差驱动场管。其实我们可以在芯片的HO、LO输出口通过光耦或三极管来把驱动电压拉高，SI7148不好买，而且比较贵。图表 6 LM5118升降压