Перейти к содержанию

Понижающе-повышающий преобразователь (buck-boost)

Нужно получить −12 В из +12 В или стабильные 5 В из батареи, напряжение которой проходит и выше, и ниже пяти вольт. Понижающий преобразователь умеет только вниз, повышающий — только вверх. Понижающе-повышающий, buck-boost, умеет оба направления, а в классическом варианте ещё и переворачивает полярность.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Понижающе-повышающий преобразователь (buck-boost) — импульсный преобразователь, выходное напряжение которого по модулю может быть как выше, так и ниже входного. В классической схеме с одним ключом, дросселем и диодом выход получается отрицательным: TI определяет buck-boost как топологию, превращающую положительное напряжение в отрицательное без трансформатора (SNVS107G, разд. 9.1.1).

Скважность

ТопологияСкважность D = tвкл/T
ПонижающаяUвых/Uвх
Понижающе-повышающаяUвых/(Uвых + Uвх), Uвых по модулю

По SNVS107G, разд. 8.1.1. При D = 0,5 модуль выхода равен входу, при меньшей скважности он ниже, при большей — выше.

Пример: −12 В на LM2576

TI показывает, как понижающий стабилизатор LM2576-12 включить по схеме buck-boost: вывод земли микросхемы подключают к отрицательному выходу, и она стабилизирует −12 В относительно общего провода (разд. 8.1.9).

ПараметрЗначение
Выходной ток при входе от 12 Воколо 700 мА
Минимальный вход при малой нагрузкеоколо 4,7 В
Дроссель68–220 мкГн
Наибольший вход для −12 В28 В (LM2576), 48 В (LM2576HV)
Частота52 кГц

Особенности по сравнению с понижающей схемой: токи ключа выше, поэтому доступный ток нагрузки меньше; пусковой ток больше и может перегрузить источник с ограничением тока ниже 5 А — помогает задержка включения или UVLO; выходной конденсатор нужен намного больше, при низком входе и большом токе — тысячи микрофарад.

Родственные схемы

  • Обратноходовой — та же понижающе-повышающая топология, в которой дроссель заменён трансформатором; это даёт гальваническую развязку и любую полярность (Microchip AN1114).
  • Неинвертирующий buck-boost — выход той же полярности, что и вход, при входе и выше, и ниже выхода. Такой стабилизатор стоит, например, на плате Raspberry Pi Pico W.

Подобрать топологию по входу и выходу помогает калькулятор DC-DC, а повышающая схема разобрана в статье о повышающем преобразователе.

Частые вопросы

Почему у buck-boost выход отрицательный?

В классической схеме с одним ключом и одним диодом дроссель во время паузы отдаёт энергию через диод в выходной конденсатор, подключённый так, что ток заряжает его в обратной полярности. TI так и определяет топологию: она превращает положительное напряжение в отрицательное без трансформатора (SNVS107G, разд. 9.1.1). Бывают и неинвертирующие buck-boost — это отдельный класс микросхем со своей схемой ключей.

Какое напряжение выдерживает ключ в инвертирующей схеме?

Сумму модулей входного и выходного напряжений. Для LM2576 с выходом −12 В это значит, что вход не должен превышать 28 В, а для высоковольтной версии LM2576HV — 48 В (SNVS107G, разд. 8.1.9). Диод и конденсаторы тоже выбирают на это суммарное напряжение.

Можно ли рассчитывать buck-boost по формулам понижающего преобразователя?

Нет. TI прямо предупреждает, что методика для понижающей схемы не подходит для выбора дросселя и выходного конденсатора buck-boost. Скважность считают по D = Uвых/(Uвых + Uвх), токи ключа выше, а выходной конденсатор нужен заметно больше — при низком входе и большом токе это тысячи микрофарад.

Источники

  1. Texas Instruments. LM2576xx SIMPLE SWITCHER 3-A Step-Down Voltage Regulator, SNVS107G (revised March 2023) — разд. 8.1.1: скважность понижающего tON/T = VOUT/VIN, понижающе-повышающего — VOUT/(VOUT + VIN); разд. 8.1.9: LM2576-12 в схеме buck-boost даёт −12 В из положительного входа: вывод земли регулятора подключён к отрицательному выходу; при входе от 12 В доступный ток около 700 мА, при малой нагрузке минимальный вход около 4,7 В; токи ключа выше, чем в понижающей схеме, пусковой ток больше — источник с ограничением тока ниже 5 А может перегрузиться, помогает задержка включения или UVLO; методику понижающей схемы применять нельзя, дроссель 68–220 мкГн, выходной конденсатор больше, при низком входе и большом токе — тысячи микрофарад; пиковый ток дросселя по ур. 6, fOSC = 52 кГц; на регуляторе — сумма модулей входного и выходного напряжений, для −12 В вход не выше 28 В у LM2576 и 48 В у LM2576HV; разд. 9.1.1: buck-boost — топология, превращающая положительное напряжение в отрицательное без трансформатора
  2. Microchip. AN1114 Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part I), DS01114A (2007) — раздел о выборе топологии: базовые неизолированные топологии — понижающая, повышающая и понижающе-повышающая; раздел «Flyback Converter»: обратноходовой преобразователь — изолированный вариант на основе понижающе-повышающей топологии

Нашли ошибку?

Смотрите также