标签：Buck 电容输出拓扑开关电源开关实例电压

一、开关电源拓扑基础

传统的开关电源拓扑可分为三种：Buck(降压型)、Boost(升压型)、Buck-Boost(升降压型)。对这三种拓扑归纳如下。

1.1 Buck-Boost

Buck-Boost根据地参考点的位置可以进一步细分为正对负型和负对正型。升降压型拓扑的端口特性为：输入与输出反相；可升压也可降压。电路结构如下图所示：

开关导通时，能量从输入直流电源（通过开关）传输给电感，没有能量传输给输出端。
开关关断时，电感储能（通过二极管）传输到输出端，没有直接来自输入直流电源的能量。

基于以上两点，升降压拓扑大概是唯一的纯反激拓扑，所有从输入传输到输出的能量必须先储存在电感中。其他拓扑不具备这一特性。

输出电容在开关关断时充电，在开关导通时为负载供电，但平均电容电流始终为零。事实上，根据定义，稳态时的平均电容电流必须为零，否则电容或充或放，直至达到稳态，就像电感电流一样。既然输出电容的平均电流为零，那么升降压变换器的平均二极管电流必然等于负载电流。
假设电路在连续导通模式下工作，开关占空比为\(D\)，若略去开关和二极管压降，则有

\[V_O=V_{IN}\times\frac{D}{1-D} \]

若平均电感电流为\(I_L\)，则开关和二极管的平均电流分别为

\[I_{SW\_AVG}=I_L\times\frac{t_{ON}}{T}=I_L\times D \]

\[I_{D\_AVG}=I_L\times\frac{t_{OFF}}{T}=I_L\times(1-D)=I_O \]

1.2 Boost

Boost拓扑仅有一种，且输入和输出极性相同。举例来说，正对正的Boost电路能把12V变换为50V，负对负的Boost电路能把-12V变换为-50V。因此，输出电压幅值必须始终大于输入电压幅值。升压变换器只能升压，不能变换极性。Boost电路结构如下图所示：
Boost

开关导通时，能量从输入直流电源（通过开关）传输给电感，没有能量传输到输出端。
开关关断时，电感储能（通过二极管）传输到输出。但是，输出中有一部分能量直接来自输入直流电源。
输出电容在开关关断时为负载供电，在开关导通时充电，因为输出电容的平均电流为零，所以升压变换器的平均二极管电流必然等于负载电流。
假设电路在连续导通模式下工作，开关占空比为\(D\)，若略去开关和二极管压降，则有

\[V_O=V_{IN}\times\frac{1}{1-D} \]

平均二极管电流、平均负载电流、平均电感电流为

\[I_{D\_AVG}=I_O=I_L\times(1-D) \]

\[I_L=\frac{I_O}{1-D} \]

1.3 Buck

Buck拓扑同样只有一种，且输入输出极性相同。举例来说，正对正的降压变换器能把12V变换为5V。负对负的降压变换器能把-12V转换成-5V。因此，输出电压幅值必须始终小于输入电压幅值。所以，降压变换器只能降压，不能改变极性。Buck电路结构如下图所示：
Buck

开关导通时，能量从输入直流电源（通过开关）传输给电感，同时有一部分能量直接传递到输出端。
开关关断时，电感储能（通过二极管）传递到输出，没有能量来自输入直流电源。
输出电容在开关关断时为负载供电，在开关导通时充电，既然输出电容的平均电流为零，那么降压变换器的平均电感电流必然等于负载电流。
假设电路在连续导通模式下工作，开关占空比为\(D\)，若略去开关和二极管压降，则有

\[V_O=V_{IN}\times{D} \]

\[I_L=I_O \]

\[I_{SW\_AVG}=I_O\times{D} \]

\[I_{D\_AVG}=I_O\times(1-D) \]

二、基本拓扑之间的转化

曾经有一个问题困扰了我很久：市面上经常见到使用诸如TPS5430这种Buck芯片制作的单转双电源模块。然而Buck拓扑只能实现同极性的降压，那么这种模块是怎么做到将正电源转成负电源的？
其奥秘就隐藏在这三种拓扑之间千丝万缕的联系中。首先了解一下交换结点是什么：

电感电流绕行之处，即开关和二极管之间的结点，称为交换结点。电流从电感流入节点后，既可以从二极管流出，也可以从开关流出，这取决于开关状态。每一个DC-DC开关拓扑都有此结点（若无，则会出现巨大的电压尖峰）。
此结点处，电流在二极管和开关之间交替流动，因此需要二极管交替改变状态（开关导通时正偏，开关关断时反偏）。因此，结点电压必然跳变。若示波器探头连接至此，观察到的电压始终是斩波式的。实际上，它非常类似于电感电压，只是不同拓扑有不同的直流偏移量。

我们将交换结点记为SW，重新审视这三种基本拓扑。

2.1 Buck与Buck-Boost

Buck_Buck_Boost
Buck拓扑与Buck-Boost拓扑重新绘制如上图所示。显然，这两种拓扑的唯一区别在于输出端和地端的连接位置。对于降压拓扑而言，电感连接输出，交换节点接地；对于升降压拓扑而言，电感接地，交换节点直接连接输出。考虑到交换节点处续流二极管的方向，只需将Buck拓扑的输出与地的连接互换即可得到正对负升降压拓扑，实现将正电源转换为负电源的效果,而无需使用专门的Buck-Boost芯片。如果想得到负对正升降压拓扑，还需要将续流二极管反方向放置。

2.2 Boost与Buck-Boost

Boost_Buck_Boost
升压拓扑与升降压拓扑的唯一区别在于输入端和地端的连接位置。考虑到交换节点处续流二极管的方向，只需将Boost拓扑的输入与地的连接互换即可得到负对正升降压拓扑，实现将负电源转换为正电源的效果，而无需使用专门的Buck-Boost芯片。如果想得到正对负升降压拓扑，还需要将续流二极管反方向放置。

三、实例：利用TPS5430得到正负电源

3.1 TPS5430简介

TPS5430是TI公司生产的一款内部集成高侧NMOS的3A降压变换器，输入电压可达36V，内部基准电压的典型值为1.221V。与此同时，它还集成了过流保护、热保护、欠压锁定等功能。由于其价格低廉，性能优秀，所需外部组件较少，经常用于开关降压模块的设计中。TPS5430的功能框图如下所示：
TPS5430 Funtional Block diagram
这张图看起来比较复杂，主要是因为其中很大一部分在描述过流保护之类的附加功能。与Buck拓扑结构有关的部分已在图中框出。
这是典型的恒频非同步降压拓扑，开关管为内部集成的高侧NMOS，而续流二极管、电感、输出电容由使用者在外部电路自行添加。不过，这里还多出来一个元件：BOOT和PH引脚之间需要再连接一个自举电容（BOOT Capacitor），这是利用电容两端电压不能突变的特性，在上管的栅极形成一个高电压，从而保证上管能顺利导通，一般取10nF就好，对拓扑影响不大。
既然TPS5430与前文分析的拓扑结构一致，那么下面就改变其拓扑得到一个正负电压转换器。

3.2 原理图&仿真

TPS5430数据手册中给出的参考电路如下图所示：
TPS5430 positive buck

输入电压：10V-35V
输出电压：5V
负载电流：3A
对换输出端和地端，得到如下Buck-Boost变换器：
输入电压：15V
输出电压：-5V
负载电流：1A
Tina-TI的仿真结果如下图所示：

从图中可以看出，经过约8ms后Vout稳定在-5.05V，与预期一致。
仿真文件下载地址：百度网盘提取码：sjq6

3.3 实物电路测试

3.3.1 原理图

TPS5430 schematic

输入：12V
输出：-6.8V
输入；12V
输出：5V

3.3.2 稳定时间

稳定时间
上电后两种电路均经过约8ms达到稳定，Buck稳定在5.04V,Buck-Boost稳定在-6.8V，符合预期。
由于非同步整流拓扑在轻载时处于非连续导通状态，开关波形会有明显的振荡现象，为确保测试效果，以下几项测试均在34欧姆负载下进行。

3.3.3 纹波

上侧为12V转5V的纹波，为88.80mV，并且呈现标准的锯齿状。下侧为12V转-6.8V的纹波，达到306mV,而且波形也有点奇怪，可能是电感值选得不太合适？

3.3.4 交换结点的波形

交换节点
在这里顺便验证一下前文提及的公式。

对于该Buck电路，输入电压12V，占空比为43.41%，计算得输出电压为\(V_O=V_{IN}\times{0.4341}=5.21V\)，由于该公式忽略了开关管和二极管的压降，因此计算结果比实际输出（5.04V）略大。
对于该Buck-Boost电路，输入电压12V，占空比为38.23%，计算得输出电压为\(V_O=-V_{IN}\times\frac{0.3823}{1-0.3823}=-7.42V\),偏大。
如果考虑二极管\(V_D\)的正向压降，开关管导通压降忽略不计，则输出电压计算公式修正为

\[V_O=-(V_{IN}\times\frac{D}{1-D}-V_D) (Buck-Boost) \]

\[V_O=D\times{V_{IN}}-(1-D)\times{V_D} (Buck) \]

如果只是为了解决正负电源的话，所有的分析就到此为止了。不过先别急，再来看一点更有意思的东西：

3.3.5 BOOT电容

两种电路的自举电容两端的波形以电容两端的电压如下图所示：

在这两张图中，黄色的都是自举电容高侧，也就是MOS管栅极波形；紫色为自举电容低侧，也就是交换结点的波形。
可以看出，自举电容两侧为同步开关的波形，而电容两端的电压基本保持稳定。这很好理解，毕竟开关结点处以500kHz的频率快速动作，而电容两端电压并不能随之突变，故保持为一定值。
这里有一个细节：不论是哪一种电路，BOOT电容两端的电压都基本保持在9V不变。可为什么偏偏是9V？这个9V大小是由谁决定的？
让我们回到一开始的TPS5430功能框图。在框图的右上角，有一个神秘的小东西：BOOT Regulator
框图2
这个BOOT Regulator一般是LDO结构的电源，用于给自举电容充电。以Buck拓扑为例，充电路径如下：

刚上电时，Vo为零，PH结点的电压也为零，LDO的输出通过二极管给BOOT电容充电，直到电容上的电压达到9V，二极管反偏，充电停止。在这之后，开关管开始动作，占空比逐渐增大，输出电压也逐渐上升到5V，经过8ms达到稳定状态。更细致的过程可以看下边这张图，BOOT、PH、电容电压均已在图中标出。
上电瞬间
从以上过程也可以推断出BOOT Regulator的标称输出电压应该是9V+一个二极管的压降。这么说来，要想让这个LDO达到标称输出电压，输入电压应当在9V以上。这也是为什么数据手册后面给出的参考电路的输入电压全都不小于9V。不过，这也不是说在输入电压小于9V时芯片就不工作了，只不过这时候的LDO输出电压=输入电压-二极管压降，随输入电压而变化。比如下边这个是8V输入时的情况：

电容两端电压降至7.42V，这样来看LDO的最小压降应该在0.6V左右。