实现反相降压-升压转换器设计的方案

DC/DC 转换器领域的常识是，降压转换器或稳压器集成电路 (IC)，例如 LM5017 系列，可以从正 V IN产生负 V OUT。乍一看，使用降压稳压器 IC 的反相降压-升压转换器的原理图看起来与降压转换器非常相似（图 1a 和 1c）。但是，这两个电路在电压和电流电平、开关电流和布局方面存在重要差异。

我讨论了 V IN范围、V OUT范围和可用输出电流 I OUT max之间的差异。由反相降压-升压转换器和降压转换器的开关电流流动路径的差异引起的布局差异（尽管很关键）尚不清楚。

图 1 说明了降压转换器和反相降压-升压转换器中开关电流的差异。在降压转换器（图 1a 和 1b）中，输入回路——包括输入电容器 C IN、高侧开关 QH 和同步整流器 QL，承载高 di/dt 开关电流。包括同步整流器QL、电感器L1和输出电容器C OUT的输出回路具有相对连续的电流。因此，虽然优化输入电流环路面积至关重要，但优化输出电流环路面积并不重要。

图 1：降压转换器中的开关电流 (a, b)；和一个反相降压-升压转换器 (c, d)

反相降压-升压转换器中的输入和输出电流环路包含与降压转换器中相同的元件（图 1c 和 1d）。输入回路具有输入电容器 C IN、控制 FET QH 和同步整流器 QL。输出电流回路由同步整流器QL、滤波电感L1和输出电容器C OUT 组成。然而，在反相降压-升压转换器中，输入和输出电流环路都承载高 di/dt 开关电流，因为滤波电感器在开关子间隔之间从 C IN切换到 C OUT。

由于降压和反相原理图的相似性，开关电流路径的差异经常被忽视，许多反相降压-升压设计和布局就像降压转换器一样完成，仅优化了输入电流回路对于一个小的循环区域。降压到反相降压-升压转换通常仅被视为 V OUT和接地引脚的重新连接。但是这种方法没有考虑到不同的电流在一个简单的降压和反相降压-升压转换器（使用相同的稳压器 IC）中流动会导致这些问题：

· 图 1c 和 1d 中所示的开关电流路径可能具有显着的寄生电感，从而导致开关节点上出现更高的尖峰，从而产生以下不利后果：

· 开关电流流经非优化电流回路会导致更高的电磁干扰 (EMI) 和噪声。

· 在反相降压-升压配置中，MOSFET 在 |V IN + V OUT |顶部看到更高的尖峰电压。电压。

· 对于相同的电感电流，通过输出电容器的开关电流具有比降压转换器更高的均方根 (RMS)（发热）含量。输出电容器中的不连续电流也会导致更高的输出纹波。因此，设计人员在选择输出电容器时必须牢记这些较高的纹波电流，以满足 V OUT纹波和 I RMS电流额定值。图 2 比较了降压转换器和反相降压-升压转换器中的输出电容器纹波电流。 

图 2：降压转换器 (a, b) 的输出滤波电容器中的纹波电流很小，因为电感器始终连接到输出节点。由于流经输出电容器的电流的不连续性，反相降压-升压转换器 (c, d) 的输出滤波电容器中的纹波电流要高得多。

图 3 显示了如何优化反相降压-升压功率级以实现更低的 di/dt 输入和输出环路。图 4 显示了使用 LM5017（一款 100V 同步降压稳压器）的反相降压-升压功率级布局示例。 LM5017是一款100 V 600 mA恒定导通时间（COT）同步降压稳压器，集成了高侧和低侧MOSFET，可用于需要不同输入和输出轨的多种应用。由于它可以高效工作调节更高的电压，非常适合48 V电信和42 V汽车电源总线轨。

图 3：优化功率级组件以最小化开关电流环路面积 (a) 识别电流环路 (b) 最小化电流环路

图 4：基于 LM5017 同步降压稳压器的反相降压-升压转换器的示例布局

结论

设计人员通常使用降压稳压器来创建反相降压-升压稳压器。但是降压电路和反相降压-升压电路之间的开关电流流动存在重大差异。设计人员尤其应注意输出滤波电容的选择和开关电流环路布局，以实现最佳的可靠性和噪声性能。