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H桥降升压集成电路广泛应用于即使系统电池电压降至较低电压仍需保持恒定电压或电流源的应用中。当需要单级转换器时，它们很有意义，且输出可以设置在输入电压之上或以下。它们还可以作为LED应用的电流源，简化典型升压至降压转换为单级的设计。

由于耦合电感的成本，这些集成电路通常比其他降压拓扑结构（如单端初级电感转换器SEPIC）更受青睐。

顾名思妙想，H桥降压升压结构由降压电路和升压电路合并到一个变换器中。该电路需要四个开关才能工作。这四个开关通过感测输出与输入的比例来调节输出，从而确定工作模式。

H桥降压通过多种工作模式之一来工作。当输入电压远高于输出电压时，电路通过切换开关1和2切换进入纯降压模式（见图1）。当输入电压远低于输出电压时，电路会通过切换开关3和4来以纯升压模式运行。

1. 典型的H桥降压-升压配置。

当输入和输出电压更接近时，这些模式之间的界限会变得模糊。当输入电压接近输出时，电路将以降压-升压模式运行。在此模式下，四个开关可以通过多种方式控制以实现适当的调节。

降压升压变换器的不同工作模式

为了确定工作模式，电路会先感知输出电压与输入电压的差值，然后将比值与内部设定值进行比较。根据情况不同，降压-升压转换器会转移到不同的区域。通常会对这些值施加一定的滞后，以确保由于输入电压升降导致不同区域之间的平滑跃迁。

• 降压区：当该模式的内部比较器因输出电压足够低而触发时，电路将作为纯降压转换器工作。要在降压区工作，开关3必须始终闭合，开关4必须始终开启。第一和第二个开关可以像普通强制脉宽调制（FPWM）降压转换器一样切换LX1（见图2）。

• 升压区：当情况相反时，电路将作为纯升压转换器工作。当它感知输出电压足够高于输入时，内部升压模式比较器会触发。要在升压区工作，开关1必须保持闭合，开关2必须始终开启。第三和第四个开关可以像普通FPWM升压转换器一样切换LX2（见图3）。

• 降压增压区：当输出相对接近输入（稍高或稍低）时，电路将运行在降压升压区。

2. 18至12伏降压工作期间的降压-升压转换器。

3. 6至12伏升压运行期间的降压-升压变换器。

使用交替降压控制以严格调节输出

在交替降压-增压控制下，电路通过在降压和升压侧交替调节输出。这意味着最初，电路会作降压开关，而占空比由压缩器电压决定。降压开关会在电路切换到升压侧之前工作完整一段时间。当降压侧完成一个完整周期后，增压侧会切换，其工作周期也受补偿器电压控制。

通过这种作，H桥的两侧可以根据需要调整每个降压和升压脉冲，以调节输出。这也意味着由于H桥的两半只有在另一侧完成后才切换，作频率实际上减半（见图4）。

4. H桥电路在降压助推区域的运行。

这种控制方法带来了多项好处。第一是效率：由于降升区的切换频率减半，切换损耗被最小化。电磁干扰（EMI）也被降低。即使切换频率减半，始终保持一致，这简化了电磁干扰滤波。

最后，这种方法可以提升瞬态响应。这是因为当输出略高于输入时，有效增压占空比会降低。因此，该控制方案中的右半平面零点（RHPZ）在降压区保持在更高的频率。

为了观察电路如何在降压-升压区调节输出，考虑输入略高于输出的情况。降压升压循环通过关闭开关1和3来控制降压侧开始。这会导致电感电流以（V输入至V输出）/L1的斜率上升至峰值。

当降重导通时间结束后，控制环路将打开开关1并闭合开关2。在降压周期的关闭时间内，电感电流会以VOUT/L1的斜率下斜至谷值，定义电感峰间纹波。

一旦降压侧满开关周期，逻辑电路将切换到升压侧。增压端会先打开开关2，保持开关1和3关闭。这个动作代表加速的关闭时间。在此期间，电感电流将以与降噪同步的方式上升，电流斜率为（VIN – VOUT）/L1。

一旦加速关闭时间结束，控制环路将通过打开开关3和关闭开关4来编程加速导通时间。它会使电感电流按时恢复到降包的初始电平，斜率为VIN/L1（见图5）。

5. 当输入电压高于输出电压时，器件在降压-升压模式下的开关动力学。

接下来，考虑 VIN 略小于 VOUT 的情况。在这里，每个切换周期保持不变。这两种情况的主要区别在于，当VIN>VOUT时，电感电流纹波由降压关断时间决定。然而，当VIN <VOUT时，电感电流纹波由升压导通时间决定。

由于H桥降压和升压侧的频率减半，电感电流波动也会在降升区加倍。图6展示了这一点，电感电流只有在完成一个完整的降压和升压周期后才会完成一个完整周期。

6. 当输出电压高于输入电压时，器件在降压-升压模式下的开关动态。

降压增压的优点：更高的效率，更快的瞬态响应

在降压增压电路中，当电路进入降压增压区时，整体功率级效率会下降。交替控制可以提高增压区的效率。这是由于降压区的有效频率下降所致。

我们用一个例子来演示一下。在降压作期间，如果工作频率为2.1 MHz，第一和第二开关（1和2）每476纳秒分别导通和关闭一次。在升压区工作时，第二对开关（3和4）同样如此。在降压增压区工作时，除了开关在两侧交替切换外，其他变化不大。因此，即使在增压区段，切换事件数量保持不变，从而提高了效率。

要理解这种方法如何改善电源的瞬态响应，可以看看输出略大于输入的情景。在这种情况下，电路处于降压-升压区。由于电路现在提升的幅度大于反弹，提升RHPZ对电路的影响会更大。使用交替降压-增压控制时，这种效应较不明显，因为电感电流在升压区可以增加更长时间。

这也意味着输入电压的变化对输出的影响较小，因为电感电流可以更快地增强以修正输入变化。

瞬态的诀窍：优化降压的瞬态响应

在补偿降压增益集成电路时，分频频率的选择必须考虑最坏情况负载、输入电压、输出电容值和电感值。

由于降压增压IC可以在升压区工作，这意味着最坏情况下的垂直输入也很可能导致电路以纯升压模式工作。在纯升压模式下，电路还面临RHPZ的额外限制。

RHPZ是电感充电到输出能量之间的时间延迟函数;因此，环路必须补偿该频率的1/3到1/5。因此，即使降压区有更多带宽（没有RHPZ）时，降-增益电路的瞬态响应也会受到限制。

通常，由Rcomp1和Ccomp组成的电阻-电容（RC）网络用于补偿控制环路，提供适当的相位和增益。为了优化升压和降压区的瞬态，在RC补偿网络中增加一个额外的电阻（Rcomp2）。还会在Rcomp2上放置一个开关，根据工作区域将其引入或退出补偿网络。

当电路处于升压模式时，开关会在Rcomp2两端短路，降低分频频率。当电路进入降压或降压区时，开关打开，Rcomp2进一步帮助提升增益和相位。

反过来，这会增加分频点。该作使电路在升压区有足够低的交叉点，同时在降压区也有足够的高分频点（见图7）。

7. 该补偿网络用于改善降压-升压变换器的瞬态响应。

降压-升压转换电路的控制环路设计

降压-升压电路的控制环路可以通过多种方式实现。其中最有效的是平均电流模式控制，它带来了其他控制方法无法实现的多种优势。

抗噪能力

在平均电流模式控制中，感应电感电流并与补偿水平进行比较。然后它被输入包含RC补偿网络的内环误差放大器。该积分器为内环提供高增益。补偿后的内环随后与锯齿螺比较以生成占空比。它带来更高的抗噪能力，因为电感波形中的任何电流尖峰都会被滤除掉。那是因为回路在调节平均电流。

考虑峰值或谷电流模式控制的情况，其中感应的电感电流相对于峰值或谷值很小。这导致抗噪声能力降低，因为感应电流中存在的任何电流尖峰都可能导致采样错误，除非对感应电流进行前沿遮蔽或滤波。即使有滤波，在低负载电流下，斜率补偿相对于感应信号可能变得较大，导致调节偏差加大。

最低开停时间

平均电流模式控制使用积分器作为内电流环，并通过锯齿形电路输入比较器以生成占空比。因此，最小导通和关断时间（TON 和 TOFF）相较于峰值电流模式或谷电流模式（由于电路如前沿消隐）会有更长的最小导通和关闭时间。

无坡度补偿

重要的是，平均电流模式控制方法不需要坡度补偿。这简化了最大电流限制，因为它不再是增加斜率的函数。由于不需要斜率补偿，这意味着平均电流模在不连续导通模式下的性能优于峰值电流模式，而峰值电流中斜率补偿可能成为被感应信号的大部分。

并行运行

如果多个变换器设计为并联运行，那么平均电流模式控制能提供最佳的电流共享。这是因为外环路会编程每个转换器的平均电流，而峰值或谷电流模式由于电感略有不同，电流会有一定偏移。

测试：降压升压转换器设计评估

让我们来看一个设计示例。目标是制造一种降升压转换器，能够接受6至18V的输入电压（VIN），并输出稳压13伏2.5安，同时将输出电容尽可能低。输出电压的目标峰峰值纹波为±5%。

为了最小化输出电容，首先选择2.1 MHz的开关频率。在这个速度下，电感值通常使用1 μH。VOUT 限制允许出现 650 毫伏瞬态。要估算所需的输出电容，首先考虑最坏情况的V输入，这将使电路处于升压区。在助推区，RHPZ可用方程1计算。

通过计算RHPZ并除以5，提升区的分频频率将定为35 kHz。方程2可用于估计输出上限。通过求解该方程，输出电容估计为17.5微F。将此数值向上取为22微F。选定元件后，合成器可以从提升区开始设计，实现35 kHz分频器。

一旦选定了Rcomp和Ccomp，电路必须在18 VIN时对降包区进行补偿。因为没有右切边频，选分频频率为100 kHz。然后可以调整Rcomp2以实现这种交叉。

一切就绪后，检查每种情况中的瞬态响应。由于加入Rcomp2，降压和降压区的瞬态被减小。这在图8、9和图10中有所体现。

8. 6 VIN（426 mV）的升压瞬态。

9. 18伏IN（167毫伏）的降级瞬态。

10. 降压瞬态，电压为13 VIN（201 mV）。

结论

交替降压-增压控制因其改进的瞬态响应、更高的效率和更低的电磁干扰（EMI）以及设计简洁性，在标准控制方法中具有优势。通过添加Rcomp2，可以进一步优化降压-增益电路的瞬态响应，以帮助提升环路带宽。

关键词： H桥降压升压 交替降压 集成电路