降压转换器与升压转换器的性能比较
发布日期:2022-05-27
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作者： Reno Rossetti
降压（降压）和升压（升压）转换器是 DC-DC 非隔离式电源转换行业的主要产品。它们服务于非常不同的应用和目的，因此，很少会想到比较，可能看起来像是比较苹果和橙子。但是，精度、效率、成本、尺寸和噪声等性能参数是一个共同点，实际上，这两种配置可以进行比较。对于这个比较，我们将使用 Simplis ™模拟。为简单起见，我们将讨论稳态下的理想操作，此时闭环校正可以忽略不计，并且器件可以充分地表示为由所选占空比（例如 50%）驱动的简化动力系统。
在图 1中，降压转换器电源系统由一个 12V 峰峰值方波发生器表示，该发生器具有 50% 占空比和 330kHz 频率。LC 滤波器由一个 15µH 电感器和一个为 1Ω 负载供电的 30µF 电容器组成。
图 1. 简化的降压转换器电路
电路用Simplis 仿真，主要波形如图2所示。蓝色波形是以零为中心的 +/-300mA 峰峰值的三角电容器电流。红色波形是以 6V 为中心的输出电压，具有 +/-4mV 幅度的完美正弦电压纹波。绿色波形是 6A 的电感电流，纹波为 +/-300mA。自然，电感器和电容器的纹波电流是相同的，因为负载电流是恒定的。
图 2. 降压转换器波形
在图 3中，升压转换器电源系统由经典的 MOSFET-二极管-电感器组合表示。MOSFET 以 50% 的占空比进行开关，输入电压源 V3 设置为产生 6V 的输出电压。输出电压、电感器和电容器值与上述降压转换器的情况相同。在这两种情况下，相同的 LC 无源器件将 6V 提供给 1Ω。
图 3. 动力总成升压转换器简化
然而，这里整流二极管的存在显着改变了电波形。在 MOSFET Q1 的导通时间内（周期的 50%），流向输出的电流被中断，负载电流必须完全由电容器提供。这与降压转换器的情况根本不同，在降压转换器的情况下，电容器必须仅补偿纹波电流。图 4中的蓝色曲线显示电容器电流现在为 +/-6A（相对于 +/-300mA），此外由于二极管偏置反转从 +1V 下降到 -6V，还产生了很大的负电流尖峰。由于巨大的电流纹波，电压纹波（红色曲线）为 +/-150mV（相对于 +/-4mV）。最后，电感器电流以 12A 为中心，是降压转换器情况的两倍，以便在 MOSFET 关断期间为负载提供 6A 电流并为电容器提供另外 6A 电流。
图 4. 升压转换器波形
在相同的负载下，与降压模式相比，相同的 LC 滤波器在升压模式下必须更加努力地工作。在升压情况下，电容器切换 6A 而不是 300mA 峰值，电感器承载 12A 而不是平均 6A。这意味着为了在实际应用中获得良好的性能，升压转换器外壳中的无源器件必须比降压转换器更大，从而导致更高的 BOM 成本和 PCB 尺寸。较高的电压纹波意味着较低的输出电压精度，因为客户提供的精度范围被电压纹波所消耗。较低的精度最终意味着较低的效率，因为必须将稳压器输出设置得更高，以确保负载正常运行所需的最小电压。由于电容器 ESR 和电感器 ESL，更高的电容器电流纹波和更高的电感器电流意味着更高的欧姆损耗和更低的效率。最后，电容器中的开关 6A 电流会导致更差的 EMI 性能。
总之，降压转换器与升压转换器的性能比较显示了降压转换器在 BOM 成本、PCB 尺寸、效率、精度和EMI 方面的固有优势。另一方面，如果您的电压需要升压，请告别降压并欢迎使用升压转换器，这将成为镇上唯一的游戏。
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