串联电容降压转换器的工作原理

学习新的转换器拓扑也可能有点令人生畏。您可能熟悉传统的降压转换器。该转换器的简单性和美观性使其流行了几十年。TI 最近推出了基于串联电容降压转换器的TPS54A20。

TPS54A20是一款两相同步串联电容降压变换器，专为12伏输入轨的小型低压应用而设计。这种拓扑结构将开关电容电路与两相降压变换器独特地合并在一起。其优点包括电感器之间的自动电流平衡、可实现高频（HF）操作的较低开关损耗以及通过串联电容器的电压降压。和TPS54A20配合使用的小型、薄型电感器可显著降低溶液的总面积和高度。自适应实时控制体系结构可在高达10 MHz的工作频率下提供快速瞬态响应和精确的电压调节。稳态期间的固定频率操作通过使用锁相环（PLL）将开关信号锁定到参考振荡器来维持。

■两相同步串联电容Buck变换器

■相位间自动电流平衡

■每相开关频率为2-MHz至5-MHz

■至少14纳秒准时

■0.51-V至2-V输出电压范围，反馈参考电压为±0.5%

■17-V浪涌保护的输入过压锁定

■具有自动重启功能的可调电流限制（Hiccup）

■与外部时钟同步

■稳态定频

■自适应实时控制

■内反馈回路补偿

■带外部电源选项的内部栅极驱动LDO

■EN引脚允许可调输入UVLO

■可选择的软启动时间

■具有预偏置输出的单调启动

■输出功率良好指示灯（漏极开路）

■输出过压/欠压保护

TPS54A20是一种新的拓扑结构，可实现小型负载点稳压器的高效高频操作。

图 1：两相串联电容降压转换器

今天，我们将学习图 1 所示的串联电容降压转换器的“步骤”。就像任何新舞蹈一样，一开始可能具有挑战性。把稳态操作的步骤走过几次之后，我想你会发现它并没有那么难。你甚至可能喜欢它！这将是一个简短的初学者课程；如果您想了解更多详细信息，请查看此应用说明。因此，让我们首先考虑一个具有 12V 输入开关、每相 5MHz 的转换器。

第一步，或时间间隔，发生在 A 相 (Q1a)的高端开关打开时，如上图所示。串联电容器 (Ct) 通过开关 Q1a连接到输入端。由于串联电容器两端的标称电压是输入电压的一半（在这种情况下约为 6V），因此 A 相开关节点电压 (VSWa) 大约是输入电压的一半，如上图中的蓝色所示。 A 相电感器电流（I拉）上升以三角形方式就像一个正常的降压转换器（没有共振行为），并同时对C充电吨。事实上，串联电容电流 (ICt) 等于 ILa在这一步中。由于增加的电荷，差分串联电容器电压 (VCt) 增加了几百毫伏。在此步骤中，B 相低侧开关 (Q2b) 导通，将 B 相开关节点 (VSWb) 接地。结果，B相电感器电流(ILb)线性减小。

如上图所示，两个低侧开关（Q2a和 Q2b）在第二步期间都打开。这将 VSWa和 VSWb都连接到地，就像传统的两相降压转换器一样。ILa和 ILb都有负斜率。因为串联电容器没有电流流过（因为 ICt为零），所以 VCt保持恒定。

第三步是事情变得有趣的地方，所以请注意上图。开关 Q2a仍然打开，将 VSWa连接到地。开关 Q2a还将 Ct的负极连接到地。当 B 相高端开关 (Q1b) 导通时，串联电容的正极连接到 VSWb。现在串联电容器就像 B 相的输入电容器！ILb上升并同时对串联电容器放电。从负 ICt和 VCt的小幅下降可以看出这一点。我拉继续缓降。

第四步与上图所示的第二步相同。Q2a和 Q2b 导通，VSWa和 VSWb接地。ILa和 ILb 均下降。VCt保持不变，因为 ICt为零。第四步之后，整个循环重复。

怎么样？不太难，对吧？查看其他资源以了解有关此令人兴奋的新拓扑的更多信息。现在是时候进入设计层，试一试串联电容器降压转换器了。