大多數應用或子電路都需要在一定的電壓容限範圍提供恒壓電源，以保證正常運行。電池驅動的應用（如無線感測器和個人手持設備）需要在電池放電且電壓隨之下降時通過電壓轉換來產生所需的輸出電壓。如果可用的電源軌不適合所需的輸入電壓，或者電壓變化超出所需的容差範圍，則由固定電源軌供電的應用（如光學模組、有線感測器、有源電纜或加密狗）也可能需要電壓轉換。
本文探討了降壓-升壓轉換器能否成為電壓轉換的理想解決方案以及是否可以成為用於任何類型DC/DC電壓轉換的通用工具。
何時使用降壓-升壓轉換器
通常來說，如果一個電路或子電路的可用電源電壓低於所需電壓，則升壓轉換器可以有效地將直流電壓轉換為更高的電壓電平。如果可用的電源電壓高於所需電壓，則降壓轉換器會執行電壓轉換。
而降壓-升壓轉換器適用於電源電壓範圍高於和低於所需輸出電壓的應用。降壓-升壓轉換器由一個降壓轉換器和一個升壓轉換器組成，圖1所示的框圖更清晰地反映出了它的結構。
圖1：降壓-升壓轉換器框圖
降壓-升壓轉換器將降壓轉換器（圖1中的綠色部分）與升壓轉換器（圖1中的橙色部分）合併在同一結構中，從而可以有效地升高和降低輸出電壓。控制環路可以根據實際的輸入電壓和程式設計設定的輸出電壓來決定設備是否需要在降壓或升壓模式下運行。
例如，假設要使一個典型電壓範圍為4.2V到2.8V的鋰離子電池提供3.3V的輸出電壓，如果使用降壓轉換器，那麼電池的截止電壓必須大於3.3V，缺點則是無法有效利用電池中存儲的電能。而降壓-升壓轉換器有助於充分利用電池的所有電能，因為當輸入電壓等於或低於3.3V時，降壓-升壓轉換器還可以消耗存儲的電能，如圖2所示。
圖2：降壓-升壓轉換器可以完全耗盡電池的電能
將降壓-升壓轉換器用作電壓穩壓器
降壓-升壓轉換器的第二個常見用途是用作電壓穩壓器。如果電源軌有變化（如3.3V±10%變化），而負載需要更精確的調節電壓（如3.3V±5%容差）時，那麼就需要一個可以穩定電壓的降壓-升壓轉換器。如果元件對電源電壓敏感（例如光學模組中的跨阻放大器）；如果其他DC/DC預調節器在工業應用中調節不夠嚴密；或者如果電源路徑中的其他元件（如電熔絲、負載開關或長電纜）根據電流增加電壓變化，則可能需要更嚴格地調節電壓。只用升壓轉換器或降壓轉換器不能解決此問題。然而，降壓-升壓轉換器能夠將不斷變化的輸入電壓調節到所需的更嚴格的限值。圖3所示為TPS63802對快速±0.5 V/10 µs線路做出的瞬態回應，帶有明顯小於±0.1V輸出電壓下沖/過沖。
圖3：TPS63802在VI = VO = 3.3V, ΔVI = ±0.5V時的線路瞬態回應
降壓-升壓轉換器的其他應用
還有其他的原因選擇降壓-升壓轉換器，而不是單純地選擇降壓轉換器或升壓轉換器。其中一個原因是功率ORing。想像一下嬰兒監控器這樣的設備，它由一個5V的USB壁式適配器或兩塊AA主電池供電，電壓變化範圍為3V（電池嶄新時）至1.6 V（電池耗盡時）。只有降壓-升壓轉換器可以承受從5V（壁式適配器）到1.6V（未連接壁式適配器且電池已耗盡）的寬輸入電壓範圍，並且仍然為系統產生3.3V電源軌。除了降壓-升壓轉換器，您只需要兩個外部二極體就可避免從壁式適配器流向電池的交叉電流，並在拔出壁式適配器時無縫切換到電池。
降壓-升壓轉換器的限制
當輸入電壓接近輸出電壓時，降壓-升壓轉換器的內部控制環路通常被設計成可以在降壓和升壓模式之間不斷切換。這樣的運行方式可以讓人接受，但仍具有一些缺點：模式切換可能會產生不同的開關頻率、更高的輸出電壓紋波和更多的電磁干擾（EMI）。第二個負面影響就是此時的效率可能略有下降。
為了避免模式切換的負面影響，可以尋找具有專用的降壓升壓模式、且可使輸出電壓紋波保持在低水準的設備。例如，TI新推出的TPS638xx系列降壓-升壓轉換器，其降壓-升壓模式和磁滯特性可避免在易濾除的雜訊頻譜和較低的EMI之間發生切換。
降壓升壓器件能處理所有類型的電壓轉換嗎？
由於降壓-升壓轉換器“包含”一個降壓轉換器和一個升壓轉換器，可以用它來進行DC/DC電壓轉換。所以從這個角度來說，答案是肯定的。但仍需考慮更多細節。表1說明了給定的輸入電壓範圍與所需的輸出電壓，以及降壓轉換器、升壓轉換器或降壓-升壓轉換器能否成為出色的解決方案。
|
輸入/輸出電壓 |
升壓轉換器 |
降壓轉換器 |
降壓-升壓轉換器 |
|
VIN始終高於VOUT |
不工作 |
理想拓撲 |
工作，但在效率（導通電阻存在於導電路徑中的集成電晶體）、解決方案尺寸（需要更多的矽面積）和靜態電流消耗方面可能存在缺陷。 |
|
VIN始終低於VOUT |
理想拓撲，但需要特定的設置以在禁用時斷開蓄電池與負載的連接。 |
不工作 |
|
|
VIN高於或低於VOUT |
不工作 |
不工作 |
理想拓撲 |
|
串聯的升壓和降壓轉換器：工作，但在效率、解決方案尺寸、無源元件大小和成本方面存在缺陷 |
|||
讓我們回到最開始的問題：是否存在實現DC/DC電壓轉換的通用工具？其實並不確定。當不需要降壓-升壓轉換器時，致力於大容量產品開發的類比設計人員將更喜歡專用升壓或降壓轉換器的性能優化。然而，致力於小體積產品開發的設計師可能會認為，某些方面的取捨是值得考慮的。
採用降壓-升壓轉換（到降壓-升壓、降壓和升壓）可以帶來以下好處：
• 跨專案擴展，不僅節省時間，還可以降低設計風險。
可以不同DC/DC轉換器的數量減少到一個易於使用的降壓-升壓轉換器的列表中。
可以簡化採購程式，減少庫存的複雜性，提高價格杠杆作用和供應穩定性。
• 降壓-升壓可以在關機期間斷開負載與電源的連接，而其他拓撲可能需要額外的負載開關。
其他資源
• 瞭解如何選擇能夠最大限度地延長脈衝負載應用電池壽命的DC/DC轉換器。
• 瞭解如何使用用於穩定電壓的同相降壓-升壓轉換器。
• 瞭解精確閾值如何使管腳防止電池過度放電。
• 借助WEBENCH® POWER DESIGNER工具並結合使用TI的新型降壓-升壓轉換器進行您的設計吧。
