對于許多汽車環(huán)境中的應(yīng)用與ECU來說，由電池及發(fā)電機所提供的電壓會有不足的問題，首先必須轉(zhuǎn)換至正確的電壓水平。一般會使用DC/DC切換式電壓調(diào)整器與線性穩(wěn)壓器來達成這個目標。本文將著重于切換式穩(wěn)壓器的討論，因為線性方案無法產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

　　常使用的拓樸為降壓轉(zhuǎn)換器(圖 1)，只需要單一電感以及一組二極管與開關(guān)，就可以達成切換式DC/DC方案中簡單、節(jié)省成本的選擇之一。然而的缺點是，這種方法只能產(chǎn)生低于輸入電壓的輸出電壓。 如果輸出電壓需要高于輸入電壓，可以使用「反向」拓樸或升壓轉(zhuǎn)換器(圖 2)。這種拓樸所需的組件相似，但是可以產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。

　　圖 1：基本的降壓轉(zhuǎn)換器

　　設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器并不是件輕松的工作。許多使用者都希望轉(zhuǎn)換器是一個盒子，一端輸入一個直流電壓，另一端輸出另一個直流電壓。這個盒子可以有很多形式，可以是降階來產(chǎn)生一個更低的電壓，或是升壓來產(chǎn)生一個更高的電壓。還有很多特殊的選項，如升降壓、反激和單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC），這是一種能讓輸出電壓大于、小于或等于輸入電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。如果一個系統(tǒng)采用交流電工作，個AC-DC模塊應(yīng)當產(chǎn)生系統(tǒng)所需的的直流電壓。因此，使用廣的器件是降壓轉(zhuǎn)換器。

　　使用開關(guān)穩(wěn)壓器的降壓轉(zhuǎn)換器具有所有轉(zhuǎn)換器當中的效率。高效率意味著轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗更少，而且能簡化熱管理。

　　同步降壓指的是MOSFET用作低邊開關(guān)。相對應(yīng)的，標準降壓穩(wěn)壓器要使用一個肖特基二極管做為低邊開關(guān)。與標準降壓穩(wěn)壓器相比，同步降壓穩(wěn)壓器的主要好處是效率更高，因為MOSFET的電壓降比二極管的電壓降要低。低邊和高邊MOSFET的定時信息是由脈寬調(diào)制（PWM）控制器提供的?？刂破鞯妮斎胧莵碜暂敵龆朔答伝貋淼碾妷骸＿@個閉環(huán)控制使降壓轉(zhuǎn)換器能夠根據(jù)負載的變化調(diào)節(jié)輸出。PWM模塊的輸出是一個用來升高或降低開關(guān)頻率的數(shù)字信號。該信號驅(qū)動一對MOSFET。信號的占空比決定了輸入直接連到輸出的導(dǎo)通時間的百分比。因此，輸出電壓是輸入電壓和占空比的乘積。

　　圖 2：基本的升壓轉(zhuǎn)換器

　　由于汽車板網(wǎng)電壓的變動幅度相當大(啟動時可低至 3.5V，在箝位負載突降期間也可高至 45V)，因此在有些ECU的應(yīng)用中，一定會產(chǎn)生輸入與輸出電壓互相跨越的情形。啟動過程中(發(fā)動引擎)絕不允許突然失能，特別是動力系統(tǒng)應(yīng)用或某些導(dǎo)航及信息娛樂系統(tǒng)，這個問題可以透過使用返馳轉(zhuǎn)換器或SEPIC 拓樸得以解決，不過所需變壓器型電感的額外成本及空間較大，對客戶來說較不具吸引力。

　　即使輸入電壓跨越了輸出電壓值，升降壓拓樸仍然可以提供穩(wěn)定的輸出電壓，并兼具只使用單一線圈的簡單設(shè)計，在同一個拓樸中，結(jié)合了降壓與升壓轉(zhuǎn)換器。兩種不同模式間的無縫轉(zhuǎn)換，可以在所有輸入電壓狀況下，產(chǎn)生穩(wěn)定不中斷的輸出電壓。

　　圖 3：異步升降壓轉(zhuǎn)換器

　  選擇IC

　  上面提到的控制環(huán)路使降壓轉(zhuǎn)換器能夠保持一個穩(wěn)定的輸出電壓。這種環(huán)路有幾種實現(xiàn)方法。簡單的轉(zhuǎn)換器使用的是電壓反饋或電流反饋。這些轉(zhuǎn)換器很耐用，控制方式很直接，而且性價比很好。由于降壓轉(zhuǎn)換器開始用于各種應(yīng)用中，這種轉(zhuǎn)換器的一些弱點也開始暴露出來。以圖形卡的供電電路為例。當視頻內(nèi)容變化時，降壓轉(zhuǎn)換器上的負載也會變化。供電系統(tǒng)能應(yīng)付各種負載變化，但在輕負載條件下，轉(zhuǎn)換效率降得很快。如果用戶關(guān)心的是效率，就需要有更好的降壓轉(zhuǎn)換器方案。

　　一種改進方法是所謂的磁滯控制，Intersil的ISL62871就是采用這種控制方法的器件。轉(zhuǎn)換效率與負載的曲線如圖2所示。這些轉(zhuǎn)換器是針對差工作條件設(shè)計的，因此輕負載不是持續(xù)的工作條件。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器對負載波動變化的適應(yīng)性更好，并且不會嚴重影響系統(tǒng)效率。

圖2，Intersil ISL62871的負載與效率曲線，Vout=1.1V

　　在此結(jié)合了兩種不同的拓樸，因此相較于使用一組開關(guān)及二極管的單純降壓或升壓方式，異步升降壓轉(zhuǎn)換器需要使用兩組開關(guān)及二極管(圖 3)。為了提升整體效能，可以用開關(guān)取代二極管， 現(xiàn)在的拓樸結(jié)合電感看起來類似于完整的 H 橋(圖 4)。

　　圖4 開關(guān)取代二極管

　　這些裝置的一般功能，可再細分為三種操作模式:

　　1.輸入電壓高于輸出電壓時的降壓模式

　　2.輸入電壓低于輸出電壓的升壓模式

　　3.輸入電壓在輸出電壓范圍中的轉(zhuǎn)移

　　降壓模式操作

　　在降壓模式中的操作，輸入電壓一定高于輸出電壓，在功能上類似于基本的降壓拓樸。在降壓模式中，轉(zhuǎn)換器的升壓開關(guān)(B1 與 B2)不會進行切換，B1 開關(guān)一定處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可讓電流由電感流至輸出電容器。B2 開關(guān)一定要開啟，以免造成輸出至接地 (GND) 的短路。

　　在切換為「導(dǎo)通時間」時，會關(guān)閉 A1 開關(guān)，以對電感充電(圖 5)。在此周期中，電流由輸入處流經(jīng) A1 開關(guān)、線圈以及 B1 開關(guān)，并進入輸出電容器。

　　圖 5：導(dǎo)通階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在周期的第二階段中(關(guān)閉時間)，A1 開關(guān)會開啟，A2 開關(guān)則會關(guān)閉(圖 6)。充磁線圈會迫使電流由 GND 流經(jīng) A2 開關(guān)、線圈、B1 開關(guān)，然后進入輸出電容器(又稱為飛輪)。

　　圖 6：飛輪階段的降壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在異步拓樸中，以二極管取代了 A2 開關(guān)作為被動飛輪組件。這可減少驅(qū)動器與場效晶體管 (FET) 的使用數(shù)量，但是也降低了轉(zhuǎn)換器的效能。在此操作中的切換負載周期，其依據(jù)為方程式 1 所示的輸入輸出電壓比。

　　圖 7：降壓切換階段的電流波形 升壓模式操作

　　在升壓模式操作中，輸入電壓一定低于輸出電壓，裝置會以基本的升壓拓樸操作。轉(zhuǎn)換器的降壓開關(guān)(A1 與 A2)不會在此模式中進行切換。A1 一定會關(guān)閉，讓電流由輸入流至電感;A2 一定要開啟，以免造成輸入至 GND 的短路。

　　在切換為「導(dǎo)通時間」時，會關(guān)閉 B2 開關(guān)，以對電感充電(圖 8)。在此周期中，電流由輸入處流經(jīng) A1 開關(guān)、線圈以及 B2 開關(guān)，并進入 GND。

　　圖 8：導(dǎo)通階段的升壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在周期的第二階段中(關(guān)閉時間)，B2 開關(guān)會開啟，B1 開關(guān)則會關(guān)閉(圖 9)。充磁線圈會迫使電流由輸入處流經(jīng) A1 開關(guān)、線圈、B1 開關(guān)，然后進入輸出電容器。

　　圖 9：飛輪階段的升壓轉(zhuǎn)換器電流流向

　　在異步拓樸中，以二極管取代了 B1 開關(guān)作為被動飛輪組件。結(jié)果與「降壓模式操作」中說明的內(nèi)容相同。在此操作中的切換負載周期，其依據(jù)為輸入輸出電壓比(方程式 2)。

　　圖 10：升壓切換階段的電流波形

　　轉(zhuǎn)移操作

　　如果輸入與輸出電壓非常接近，單獨使用基本的降壓或升壓模式，都無法維持由封閉回路控制的穩(wěn)定輸出電壓。一項可能的作法，就是在特定的輸入電壓水平，切換不同模式(為了穩(wěn)定性，電壓閾值具有磁滯現(xiàn)象)。另一種方式可能要以交替切換頻率周期的做法，共同操作降壓與升壓模式，以確保穩(wěn)定的輸出電壓及良好的瞬時響應(yīng)。

　　圖 11：不同操作階段與模式中的電流及電壓波形

　　結(jié)論

　　很多產(chǎn)品可以協(xié)助客戶解決 12V 板網(wǎng)電壓范圍寬廣延伸的挑戰(zhàn)，如冷啟動狀況、負載突降，或電池耗盡等等。例如TI的TPIC74100 這類完全整合的 5V 1A 升降壓轉(zhuǎn)換器，可以維持穩(wěn)定的輸出電壓，也不需要昂貴笨重的變壓器型電感，因此可以確保應(yīng)用裝置在各種電池電壓的狀況下，進行完整操作。