Single-inductor_four-switch_non-inverting_buck-boost_dc-dc_converter

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1、单电感四开关同相降压-升压型DC-DC转换器摘要：一种单电感四开关同相降压-升压型DC-DC转换器已被设计出来。相比于其他常规降压-升压类型转换器，这种转换器减少了外部无源元件和芯片/印刷电路板的数量。该芯片采用TSMC0.35μm3.3V/5V2P4M多晶硅硅化物的CMOS工艺实现。该转换器的输入电压范围涵盖了锂离子电池的最大输出电压范围，其输出电压为3.3V，最大负载电流为300mA。该芯片的模面积是1.38×1.80mm2，packedwitha40S/Bpackage.索引词：升压，降压，降压-升压，直流-直流转换器介绍随着半导体技术的迅速发展，越来越多的便携式电子产品出现在市场

2、上。便携式产品中最不可缺少的部件是用来给电路供电的电池，它也决定了电子产品的使用寿命。随着时间的推移，电池的供电电压必然下降。例如，在便携式电子产品中应用最广泛的完全充电电压的锂离子电池，其供电电压为4.2V，当它几乎完全放电时，其供电电压会下降到2.7V。因此，通常会用电压调节器将随时间变化的电池供电电压转换为固定的输出电压。为了延长电池的使用时间，一个良好的电源管理策略应实现较高的转换效率，同时也要充分利用全电池电压范围。有三种类型的调节器—线性调节器，开关稳压器，和开关电容器为基础的转换器。在这个转换器中使用的是开关稳压器，因为在这些调节器中它可以达到最高效率。此外，为了扩大电池的

3、可用电压范围，采用了一种降压—升压拓扑结构，【5-6】。传统的降压-升压转换器拓扑结构包括反激式，反相降压-升压式，SEPIC、Cuk等。然而，反激式转换器需要一个变压器，而反相Buck-Boost变换器的输出电压是反极性的。至于SEPIC和Cuk变换器，它们所需的电感器和电容器更多。在这项工作中，一个由一个单一的电感器，一个单一的电容器，和四个开关组成的非反相降压-升压型直流-直流转换器被设计出来。因此，外部无源元件和芯片/印刷电路板面积减少。此外，一个有效的切换方法被用来减少在降压-升压模式中的传导损耗。该芯片采用TSMC0.35μm3.3V/5V2P4M多晶硅硅化物的CMOS工艺实

4、现。输出电压设置为3.3V，最大输出负载电流为300mA，其输入电压范围涵盖了锂离子电池的最大输出电压范围。如图1所示，该变换器具有三种工作模式：降压模式（Vin＞Vout），降压-升压模式（Vin≈Vout），和升压模式（Vin

5、时S1始终导通，S2始终关断，S3和S4轮流导通。图3（b）显示了其在Boost模式下的等效电路，它就像一个传统的升压变换器。⑶窗体顶端⑶降压-升压模式（Vin≈Vout）：在此模式下，四个开关都将在每一个开关周期切换导通状态。因此，降压-升压模式的切换损耗比其他两种模式的大。图4示出降压-升压转换器的传统转换方法，在一个转换周期内包含了两个阶段。开关S1和S3被同时开通和关断，而S2和S4被同时开通和关断。通过使用该切换方法，导通损耗也将增加，这可以通过利用伏秒平衡和安培-秒平衡的关系，计算负载电流Iload和平均电感电流IL（avg）的关系被证明：（1）窗体底端其中D为占空比。窗体顶

6、端其中D为占空比。在降压-升压模式下，当Vin为接近Vout时，D应该约为50％。因此，IL（avg）是的Iload的两倍。值得注意的是，IL（avg）和Iload在降压模式是一样的。因为传导损耗正比于电感电流，大的电感电流会带来大的传导损耗从而降低了效率。窗体顶端为了减少传导损耗，这项工作中使用了高效的切换方法，在一个单一的开关周期包括四个阶段：两个用于降压，两个用于升压。其IL（avg）可以表示为：窗体顶端其中，Tbuck和Tboost分别是在一个开关周期内降压和升压的等效工作时间，Dbuck和Dboost是其相应的等价占空比。当Vin接近Vout时，Dboost接近于零，因此，IL

7、（avg）仅比的Iload稍大。因此，导通损耗有效地减小。如图5（a），开关S1和S3导通，而开关S2和S4截止。在这个阶段中，电感器是由输入源充电。然后，如图5（b），S3关断，S4导通。在这个阶段中，电感充电或放电取决于Vin和Vout之间的关系。如果Vin比Vout更大，在此阶段电感仍由输入源充电;否则，它会向负载放电。在这之后，S1断开，S2被接通，如图5（c）所示。在这个阶段中，电感器肯定会向负载放电。最后，如图5（d），