MPS 升压、降压和升降压变换器概述

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简介

变换器是现代电子产品中简单但又必要的器件之一。顾名思义，变换器可以将一个给定的参数值转换为目标值。当相互连接的设备规格不能完美匹配时，变换器就会非常重要。无论是智能手机，还是能够快速交流位置的智能追踪器，或者可以随时为设备充电的移动电源，变换器都在其中完成非常重要的功能。

本文将重点介绍能够将器件的输入电压 (V_IN) 转换为目标输出电压 (V_OUT)的 DC/DC 变换器。尽管大部分变换器都很简单，但也有一些复杂性不断增加的变换器，例如用于实现模拟值和数字值转换的变换器。本文将描述三种基本变换器（升压、降压和升降压）的关键信息，同时介绍适用于广泛应用的创新型 MPS 变换器。

基本变换器组件

在描述升压变换器、降压变换器和升降压变换器的差异之前，我们首先要认识到这三种变换器在许多方面都是相似的。如前所述，这三种变换器都可以将 V_IN 调节至特定的 V_OUT，且都利用通用组件来完成这个任务。其中部分组件描述如下：

电感：电感是无源电子元件，可以在电流流过时储存能量。它通常被用于储存和释放能量；当 V_IN 波动时，可以稳定 V_OUT。
开关晶体管：开关晶体管（简称开关）通过导通和关断来控制电流。开关关断时，电流不会流动；开关导通时，电流流动。这样的电流调节实现了对 V_OUT 的控制。对于需要精确电流的应用，建议使用开关。
二极管：二极管是一种保护装置，可强制电流沿单一方向流动，用于防止反向电压的产生，并确保电流从输入经电路流到输出。
电容：电容用于在电场中储存和释放电能。与电感不同，电容不储存电流，它们只储存电能然后释放。输入电容和输出电容都可以在电路中用来稳定 V_IN 和 V_OUT。它们还可以最大限度地减少 V_OUT 或 V_IN 突然上升或下降时产生的电压纹波。

图 1 展示了一个简化的 DC/DC 变换器电路。其中包括电源 (E)、电感 (L)、开关 (S)、二极管 (D) 和电容 (C)，当然，很多变换器要更复杂且包含其他组件。

图1: 简化DC/DC 变换器电路

所有三种基本变换器都支持同步或异步运行。同步整流通常采用金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 来控制电流，而异步整流则至少采用一个无源二极管。异步变换器效率较低，因为外部二极管有功耗，但其性价比较高。我们可以根据最终应用需求来选择同步变换器或异步变换器。

升压变换器

升压（Boost或称Step-up）变换器是一种将 V_IN 提高至更高 V_OUT的 DC/DC 变换器。为了提高电压，升压变换器需要从电源中获取电力来为后续器件供电，否则系统将发生故障。升压变换器可用于多种应用，包括：

电池供电设备：使用电池的设备（例如智能手机和LED 手电筒）采用升压变换器在电池电压下降时保持恒定的电压。
电信设备：与电池供电设备类似，电信应用利用升压变换器从较低输入电压中获得稳定的输出电压。升压变换器可部署在基站中，实现射频（RF）遥控器等RF发射器的可靠运行。

图 2 展示了一个标准升压变换器的拓扑结构。在该图中，来自电感 (L) 的磁能将能量从较低电压源 (V_IN) 传输到较高电压源 V_OUT。开关 (S) 导通，将电感连接到电源 (E)；电源拉高电感电流 (I_L)，从而为 V_IN 充电。

图2: 升压变换器拓扑

MPS升压变换器示例

MP28600是一款具有超低静态电流 (I_Q)的同步升压变换器，它具有较长的充电间隔时间，因此非常适合烟雾/热感探测器、健身器材和红外非接触式测温仪。该器件支持0.7V的超低启动电压，并在启动后降至 0.1V V_IN，它允许器件在电压骤降的情况下持续运行。

此外，MP28600 具备独特的降压模式，即使 V_IN 高于 V_OUT，它也可以将 V_OUT 调节至目标值。该功能通常为降压或升降压变换器保留，它为设计提供了更大灵活性，并使器件能够在升压变换器通常不适用的条件下工作。

MP28600 具有超低待机模式功耗，因此适用于可穿戴应用。它还可以与 3.3µH 电感MPL-AT2512-3R3配合使用，以提供完整的解决方案。该器件还提供过温关断保护，以防止器件过热并损坏自身及周围组件。

降压变换器

降压（Buck或称Step-down）变换器的功能与升压变换器相反，它采用较高 V_IN 并将其降至较低 V_OUT。当一个设备输出的电压对于其接收设备来说过高时，该功能至关重要。降压变换器可防止过压情况导致的电源故障。采用降压变换器的应用包括：

汽车（电动汽车）：当电动汽车 (EV) 充电时，降压变换器可以将电网电压降至车辆适用的电压，从而确保安全可靠的充电。
计算机：CPU 和 GPU 通过降压变换器来获得精确的功率，从而防止过热和损坏。

图 3 展示了一个典型的降压变换器拓扑结构。该电路包含一个电源 (E)、一个开关（S，通常为 MOSFET)、一个二极管 (D)、一个 LC 滤波器和一个负载 (R)。箭头所示为电流流动的方向。

图3: 降压变换器拓扑

MPS降压变换器示例

MPS 提供 450 多种降压变换器，可以满足各种设计需求。V_IN 范围最低 2V，最高达100V。

MP4581是其中一款具备 8V 至 100V 宽 V_IN 范围的降压变换器。与 MP28600 类似，MP4581与 MPS 电感（MPL-AY3020-8R2 和 MPL-SE6040-8R2）配合使用时也具有更佳性能。这些器件均采用恒定导通时间 (COT) 控制，以提供快速瞬态响应并稳定环路。此外还可通过外部电阻设置其开关频率 (f_SW)。

MP4581 具有1V至30V的 V_OUT 范围。再配合其宽 V_IN 范围，这款降压变换器可适用的应用不可尽数。例如，MP4581 可与 MP27631等数字隔离器和 MIE1W0505BGLVH 等电源模块一起实现电动自行车电源解决方案。其高效率运行还使其成为低压储能应用的理想选择，它可以在停电时提供电力。此外该器件还可用于家用或工业用电动工具。

MP4581 还提供过流保护 (OCP) 和短路保护 (SCP) 以防止电流失控。

升降压变换器

升降压变换器可根据需要调节 V_IN，使其高于、低于甚至等于 V_OUT，从而充当升压变换器和降压变换器。这类变换器用途广泛，在 V_IN不可预测的系统中尤其重要，例如：

不间断电源 (UPS)：UPS 需要一个恒定的电压以便在主电源发生故障时提供备用电源。它可以在电压峰值期间降低 V_IN，也可以在电压下降时提高 V_IN，以使 V_OUT保持恒定。
便携式电子设备：许多手持设备（如GPS 追踪器）都存在电压波动的情况，升降压变换器可以将 V_IN 快速调节至目标 V_OUT，从而避免出现电源故障。

图 4 展示了一个升降压拓扑结构，看起来与升压变换器和降压变换器拓扑类似。与升压变换器一样，其电源 (E) 为电感 (L) 充电，电流由开关 (S) 控制；开关的部署则与降压变换器类似。

图4: 升降压变换器拓扑

MPS升降压变换器示例

MP4248是一款可配置的升降压变换器，它在超小尺寸 QFN-20（3mmx5mm）封装中集成了两个下管 MOSFET（LS-FET）和一个上管 MOSFET（HS-FET）。该器件具有3.6V 至 36V的 V_IN 范围，以及1V 至 36V 的 V_OUT 范围，精度达 1%。MP4248 可用于 USB 供电 (PD) 应用，符合 USB-PD 3.1 EPR AVS 和 PPS 规范。

MP4248 具备高达 100W 的输出功率 (P_OUT)，因此还推荐用于心电图和移动电源等应用。

通过 I2C 接口可对MP4248进行配置以实现更大的灵活性，例如配置参考电压 (V_REF) 和 f_SW。其保护功能包括过压保护 (OVP)、过温关断和恒流 (CC) 限制。

结语

升压变换器、降压变换器和升降压变换器是三种功能完全不同但结构相对类似的器件。升压变换器（如MP28600）可以将 V_IN 提升至更高的 V_OUT，降压变换器（如 MP4581)可以将 V_IN 降至更低的 V_OUT，而升降压变换器（如 MP4248）则能够根据需要灵活调整 V_IN 以实现目标 V_OUT。

本文介绍了三种变换器的基本区别和应用，同时也介绍了它们的一些相似之处，例如基本拓扑、必要的外部组件，以及部分适用的应用。

MPS 提供 500 多种变换器，可适用于广泛的应用，例如健身器材、低压储能和心电图等应用。请浏览我们丰富的升压变换器、降压变换器和升降压变换器产品列表，找到最适合您应用的产品。