Ćuk转换器和反相电荷泵转换器之间的差异

Ćuk转换器(也称为两个电感器反相转换器),反相电荷泵和单电感器反相转换器(也称为反相降压 - 升压)都从正输入电压提供负输出电压。但是,工程师经常在不知不觉中用错误的名称来引用这些拓扑,给已经有点混乱的区域增加了混乱。每个拓扑做什么?为什么选择一种拓扑而不是另一种?原因各不相同,有些比其他更明显。以下讨论强调了反相电源架构之间的差异,强调直观思考而不是深入的电源设计和开关理论。目的是展示Cuk和反相电荷泵的优点和权衡,
Ćuk拓扑
Ćuk拓扑通常可以从也提供升压,SEPIC或反激拓扑的设备获得。高电压,低静态电流LT8331是可配置为Ćuk转换器的器件示例。它具有4.5V至100V的宽输入电压范围,包括一个140V,0.5A电源开关。其6μA静态电流,可编程欠压锁定,100kHz至500kHz开关频率和低输出纹波使其成为高电压,低待机电流,负输出电压需求的理想选择。
 
 
 
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图1.LT8331Ćuk配置
它需要两个电感器(这些电感器可以耦合或非耦合,并且通常在值上匹配)和输入和输出之间的耦合电容器(C5)。耦合或阻塞电容器从电路的输入侧接收能量并将其传送到电路的输出侧。在稳态条件下(即上电后),该电容两端的电压恒定,大约等于V IN。
反相电荷泵电路
Ćuk转换器电路的变型是反相电荷泵电路,其中电感器L2由下面所示的肖特基二极管D3代替。LT3581是一款多功能开关稳压器,具有3.3A / 42V电源开关。它具有内置故障保护功能,有助于防止输出短路,输入/输出过压和过热情况。此外,它还包括一个独特的主/从开关,通过堆叠电荷泵电路可以轻松构建高压正或负电压。
 
 
 
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图2.反相电荷泵
Ćuk与反相电荷泵
在图3和图4中,Ćuk转换器和反相电荷泵转换器拓扑结构并排显示以进行比较。
 
 
 
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图3.Ćuk拓扑
 
 
 
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图4.反相电荷泵拓扑
请注意,这两个电路看起来非常相似; 除了Cuk的第二个电感器已被肖特基二极管取代。另外,请注意它们都有一个低端N沟道MOSFET(或NPN晶体管)电源开关。低边开关还用于升压,SEPIC和反激式拓扑结构,因此这些设备非常通用。开关节点始终施加正电压。在Cuk设计中,反馈引脚可能会或可能不会看到负电压(某些器件不允许IC上任何位置的负电压,某些器件具有可接受正电压和负电压的双模反馈引脚)。虽然外观相似,但两个电路的操作却大不相同。
Ćuk转换器更详细
当V OUT的幅度大于或小于V IN时,可以使用Cuk 。对于Cuk,简化的占空比(假设无损二极管和开关)由下式给出:
占空比(D)= V OUT /(V OUT - V IN)
随着V OUT变得更负,占空比接近100%,当V OUT接近零时,占空比接近0%。| V OUT | 时的占空比为50%等于V IN。
图5a示出了电源开关闭合时的Ćuk电流,图5b示出了电源开关打开时的Ćuk电流。
 
 
 
3580fg_inverter_switch-on_phase
图5a。电源开关闭合时的电流
 
 
 
3580fg_Cuk_switch-off_phase
图5b。电源开关打开时的电流
从输入电源流出的电流是连续的(换句话说,当电源开关闭合或打开时,电流从输入流出)。当开关闭合时,两个电感器都有增加的电流(电流正在上升,但由于L2中的电流为负,因此两个电流斜坡沿相反方向移动)。当开关打开时,两个电感器中的电流都会减小。在图6中,我们看到平均输入电流只是平均电感电流((I LAVG = Ipk + I LMIN)/ 2)。
 
 
 
cuk_inductor_current
图6.Ćuk转换器输入电流
请注意由电感器和输入/输出电容器组成的电路输入和输出端的LC滤波器。连续电流与LC滤波器相结合,可以获得更平滑的输入和输出电流,从而提供低输出电压纹波噪声。
请记住,电感的最佳纹波电流应约为输出电流的40%。对于大多数DC / DC转换器而言,这是一个很好的经验法则,它代表了小电感尺寸和低开关损耗之间的折衷。
对于Ćuk,此电压始终为正。人们不能简单地采用Ćuk转换器并将其配置为单个电感器逆变器以减少电路元件。另外,必须注意确保Ćuk电源开关能够处理电压V IN + | V OUT | 出现在阻塞电容器的上游侧。 
更多详细信息中的反相电荷泵电路
反相电荷泵与升压转换器密切相关,因为它结合了基于电感的升压调节器和反相电荷泵。请注意,在图5a的电路中,图中最左边部分的电路和电流与升压转换器相同。在这个电路中,我们添加了二极管和电容,以获得反相电荷泵转换器。与Ćuk一样,反相电荷泵具有连续的输入电流,但与Ćuk不同,它具有不连续的输出电流。对于给定的输出电流,此配置通常可提供尺寸,效率和输出纹波的最佳组合。只有当V OUT的大于V IN时,才能使用反相电荷泵拓扑。对于V OUT幅度的情况 小于或等于V IN,使用不同的拓扑结构,如Ćuk,反相转换器或反相反激。
虽然它使用电荷泵,但可以获得相当高的负载电流,因为电感器是主要的储能元件而不是飞电容器。下面的图7显示了LT3581用作反相电荷泵(上电路)和升压转换器。 
 
 
 
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图7. LT3581反相电荷泵和升压
LT3581具有主/从开关而不是单个电源开关,并且引脚SW1和SW2之间的肖特基二极管用于隔离开关,因此通过耦合电容器C1(当电源开关导通时产生)的电流尖峰仅通过从器件流动开关而不是主开关(电流比较器所在的位置),从而防止内部电流比较器误跳闸。当电源开关关闭时,开关节点的电压回到V IN + | V OUT | 因为能量被传递到输出电容器和负载。输出断开固有地构建在该单电感器拓扑中。
对于反相电荷泵,简化的占空比由下式给出:
占空比(D)= 1 - (V IN / | V OUT |)
自| V OUT | 总是大于V IN,当它们相等时占空比接近0%,随着V OUT变得更负,占空比增加。
在下面的反相电荷泵配置中,在LT3483 / LT3483A的负输出和D引脚之间添加一个与肖特基二极管串联的电阻。该电阻的目的是在开关导通时平滑/减少电容器C2中的电流尖峰。10Ω电阻在此应用中表现良好(Li +电池电压为-22V @ 8mA),对转换器效率的影响小于3%。应用电路中推荐的电阻值也限制了输出短路条件下的开关电流。
 
 
 
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图8.带有增加Rs电阻的LT3483电路
反转拓扑
反相拓扑结构使用单个电感器,不需要耦合电容器; 因此它需要更少的组件,如下所示。使用带外部电源开关的LTC3863反相控制器,下面的图9显示了单电感器反相拓扑的示例。LTC3863具有3.5V至60V的输入电压范围,低至70μA的静态电流,并允许输出电压低于-150V。由于电源开关必须看到负电压,因此反相拓扑的通用性较差,因为它只能用于负电压。与具有类似输出电流的Cuk转换器相比,它还具有更高的峰值电流和输出纹波。对于LTC3863,外部电源开关允许用户为所需的峰值电流和输出电压选择最佳MOSFET。
 
 
 
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图9. LTC3863反相转换器
反相拓扑的占空比与Cuk转换器的占空比相同,即
占空比(D)= V OUT /(V OUT - V IN)
类似地,给定相同的输出电压,输入电压和开关频率,电路具有相同的占空比和相同的电感器电流斜率(即纹波电流,等于V IN * t ON / L)。让我们看一下每个拓扑的开关周期中的电流。
图10a和10b示出了电源开关闭合和打开时的电流。
 
 
 
inverter_swiitch_closed
图10a。反相电路电流 - 开关闭合
 
 
 
inverter_swiitch_open
图10b。反相电路电流 - 开关打开
对于反相转换器,仅当开关闭合时,电流才从输入电源流出。这导致脉冲输入电流而不是连续电流。
 
 
 
inv_supply_current
图11.反相转换器输入电流
与Ćuk不同,反相电路的平均输入和峰值电流是占空比的函数。占空比为50%时,平均输入电流大约是Ćuk的两倍(假设没有其他电路损耗)。由于我们正在处理功率传输,当输出电压变得更负或输入电压降低时,峰值电感电流增加,增加输出纹波噪声; 类似地,随着输入电压增加或输出电压接近0V,峰值电感器电流减小。在这两种情况下,电感电流可以是连续的,输入电流可以接近持续,但它永远不会持续。因此,对于给定的输出电流,Ćuk转换器具有较低的峰值输入电流(和两个电感器电流相似的输出电流)和较低的输出电压纹波噪声,而不是反相转换器拓扑。
拓扑之间的另一个区别是交换节点处的电压。对于反相转换器,在开关周期的第二阶段期间该电压为负。因此,拓扑结构不容易从一个转换为另一个。
综上所述
Ćuk,反相电荷泵和反相拓扑提供负输出,但每种配置都有细微差别,可在设计负电源时提供优势。除了这些电路之外,降压转换器的输出以地为参考,而反激转换器也能够提供负输出电压。遗憾的是,许多数据表和在线搜索参数表并没有区分独特的拓扑结构,而是将它们整合为“反相转换器”。无论如何掌握有关差异的知识,您现在可以在有时间为您的系统电源选择IC时做出更明智的选择。

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