(TI) 认识开关型电源中的BUCK-BOOST

应用报告ZHCA041–1999年3月–2002年11月修订全面认识开关型电源中的BUCK-BOOST功率级EverettRogers系统能源摘要开关电源由功率级和控制电路组成，功率级完成从输入电压到输出电压的基本能量转换，它包括开关和输出滤波器。这篇报告只介绍降压–升压（buck-boost）功率级，不包含控制电路。详细介绍了工作在连续模式和非连续模式下buck-boost功率级的稳态和小信号分析，同时也介绍了标准buck-boost功率级的不同变型，并讨论了功率级对组成部件的要求。目录商标属于各自所有者持有。1简介22Buck-Boost级稳态分析32.1Buck-Boost稳态连续导通模式分析32.2Buck-Boost稳态非连续导通模式分析72.3CriticalInductance113Buck-Boost功率级小信号模型123.1Buck-Boost连续导通模式小信号分析133.2Buck-Boost非连续导通模式小信号分析164Buck-Boost功率级的变型214.1反向(Flayback)功率级215组件选择245.1输出电容245.2输出电感265.3功率开关275.4输出二极管286总结297参考文献311全面认识开关型电源中的BUCK-BOOST功率级ZHCA041–1999年3月–2002年11月修订2全面认识开关型电源中的BUCK-BOOST功率级–1999年3月–2002年11月修订1介绍开关电源最常见的三种结构布局是降压（buck）、升压（boost）和降压–升压（buck-boost），这三种布局都不是相互隔离的，也就是说，输入级电压和输出电压是共地的，但是也存在这种隔离拓扑的变型。电源布局主要是指这些开关、输出电感和输出电容怎么连接的。每种布局都有它独自的特性，这些性能主要包括稳态电压转换比、输入输出电流的状态、输出电压的纹波特征，另一个主要特性就是占空比–输出电压的传输函数的频率响应。Buck-boost是一种流行的非隔离、逆功率级的拓扑，有时也称为升降功率级。电源设计者选用buck-boost功率级是因为输出电压和输入电压是反向的，这种拓扑结构可以得到在幅度上，比输入电压更高的输出电压（像升压（boost）功率级），或者更低的输出电压（像降压（buck）功率级），这就是它名字的由来，但是输出电压在极性上跟输入电压是相反的。由于功率开关（Q1）的作用，buck-boost的输入电流是非连续的或脉冲的，在每个开关周期内，脉冲电流从0变化到IL，输出电流也是非连续或脉冲的，这是因为输出二极管只能在开关周期内的一部分时间内导通，输出电容提供开关周期内其它时间的所有负载电流。这篇报告描述了在给定的理想波形下，连续模式和非连续模式中buck-boost转换器的稳态工作过程。在介绍了脉冲宽度调制（PWM）开关模型后，给出了占空比–输出电压的传输函数。图1显示了包括驱动电路模块在内的buck-boost功率级的简单原理图，功率开关Q1是以一个n通道的金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），输出二极管是CR1。电感L和电容C组成了有效的输出滤波器。在分析过程中，考虑了电容ESR（等效串联电阻）,RC,和电感DC的阻抗，RL。电阻R，代表了在功率输出端的负载。图1.buck-boost功率级原理图在buck-boost功率级的正常工作中，Q1在控制电路的开关时间内，重复的打开、关上。在Q1、CR1和L的连结节点处，开关动作产生了一个脉冲序列。电感L跟输出电容C相连，只有在CR1导通时，一个有效的L/C输出滤波器才形成，过滤脉冲序列，产生直流输出电压。CR1Q1acia+VIDriveCircuitpRLIL=icCRCRVOL简介3全面认识开关型电源中的BUCK-BOOST功率级–1999年3月–2002年11月修订2Buck-Boost功率级稳态分析功率级可以在连续电感器电流和非连续电感器电流模式下工作，连续电感器电流模式在稳态工作时，整个开关周期内都有电流连续通过电感器；非连续电感器电流模式是开关周期内的一部分时间电感电流为0，它在整个周期内从0开始，达到一个峰值后，再回到0.这两种模式稍后再详细探讨，在给出额定负载情况下如何选择电感值，来保证工作在选定模式的设计指导书也会提供。对于转换器来说，在预期工作条件下只保持希望的工作模式是很理想的，因为在两种不同工作模式下功率级的频率响应变化相差很大。经过这些分析发现，采用n通道的功率型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），驱动电路打开场效应管（FET）时，Q1的栅极和漏极间加上正的电压VGS(ON)，采用n通道场效应管的优势在于它的低导致电阻RDS(on)，但是驱动电路就更加复杂，因为需要浮动电极。而同样大小的p通道场效应管有较高的RDS(on)，通常也不需要浮动电极回路。晶体管Q1和二极管CR1画在点划线方框里面，终端接口标为a，p和c，这些会在BUCK–BOOST功率级模型部分详细讲到。2.1Buck-Boost稳态连续导通模式分析紧接着介绍Buck-Boost的稳态连续导通模式分析，这部分主要目的就是给出一个Buck-Boost稳态连续导通模式下电压转换关系的推导。这是很重要的，因为它揭示了输出电压怎样由占空比和输入电压决定，或者相反，怎样基于输入电压和输出电压来计算占空比。稳态说明输入电压、输出电压、输出负载电流和占空比都是固定不变的，大写字母表示出了稳态下的变量名。在连续导通模式，buck-boost转换器保证每个开关周期有两个功率态，当Q1是开、CR1是关时，就是开态（ON）；当Q1是关而CR1是开时，就是关态（OFF）。在每个状态中，当回路中的开关被等价回路所代替时，一个简单的线性回路可以用来表示这两种状态，两种状态的回路图表见图2.图2.buck-boost功率级状态图SLVA059A3UnderstandingBuck-BoostPowerStagesinSwitchModePowerSupplies2Buck-BoostStageSteady-StateAnalysisApowerstagecanoperateincontinuousordiscontinuousinductorcurrentmode.Continuousinductorcurrentmodeischaracterizedbycurrentflowingcontinuouslyintheinductorduringtheentireswitchingcycleinsteady-stateoperation.Discontinuousinductorcurrentmodeischaracterizedbytheinductorcurrentbeingzeroforaportionoftheswitchingcycle.Itstartsatzero,reachesapeakvalue,andreturnstozeroduringeachswitchingcycle.Thetwodifferentmodesarediscussedingreaterdetaillateranddesignguidelinesfortheinductorvaluetomaintainachosenmodeofoperationasafunctionofratedloadaregiven.Itisverydesirableforaconvertertostayinonemodeonlyoveritsexpectedoperatingconditionsbecausethepowerstagefrequencyresponsechangessignificantlybetweenthetwodifferentmodesofoperation.Forthisanalysis,ann-channelpowerMOSFETisusedandapositivevoltage,VGS(ON),isappliedfromtheGatetotheSourceterminalsofQ1bythedrivecircuittoturnONtheFET.Theadvantageofusingann-channelFETisitslowerRDS(on)butthedrivecircuitismorecomplicatedbecauseafloatingdriveisrequired.Forthesamediesize,ap-channelFEThasahigherRDS(on)butusuallydoesnotrequireafloatingdrivecircuit.ThetransistorQ1anddiodeCR1aredrawninsideadashed-lineboxwithterminalslabeleda,p,andc.ThisisexplainedfullyintheBuck-BoostPowerStageModelingsection.2.1Buck-BoostSteady-StateContinuousConductionModeAnalysisThefollowingisadescriptionofsteady-stateoperationincontinuousconductionmode.Themaingoalofthissectionistoprovideaderivationofthevoltageconversionrelationshipforthecontinuousconductionmodebuck-boostpowerstage.Thisisimportantbecauseitshowshowtheoutputvoltagedependsondutycycleandinputvoltageorconversely,howthedutycyclecanbecalculatedbasedoninputvoltageandoutputvoltage.Steady-stateimpliesthattheinputvoltage,outputvoltage,outputloadcurrent,andduty-cyclearefixedandnotvarying.Capitallettersaregenerallygiventovariablenamestoindicateasteady-statequantity.Incontinuousconductionmode,thebuck-boostconverterassumestwostatesperswitchingcycle.TheONStateiswhenQ1isONandCR1isOFF.TheOFFStateiswhenQ1isOFFandCR1isON.Asimplelinearcircuitcanrepresenteachofthetwostateswheretheswitchesinthecircuitarereplacedbytheirequivalentcircuitduringeachstate.ThecircuitdiagramforeachofthetwostatesisshowninFigure2.acia+VIpRLLIL=icCRCRRDS(on)VOONStateacia+VIpCRCRVOVdLIL=icRLIOIOOFFStateFigure2.Buck-BoostPowerStageStatesBuck-Boost级稳态分析4全面认识开关型电源中的BUCK-BOOST功率级–1999年3月–2002年11月修订开态的时间为D×TS=TON，其中D为由控制回路设定的占空比，代表了开关在开态的时间占整个开关周期（TS）的比值。关态的时间叫TOFF，因为对于连续导通模式下