在检索资料时无意间看到一种拓扑,链接如下,需要注册,看不到完整内容,仅能看到几张图片,遂仅根据图片信息进行推演,发现它是一种很有趣的混合拓扑。
这个混合拓扑混合了二倍压电荷泵和LC整流滤波,既能实现Buck,也能实现Boost,与传统的Boost变换器相比,它以电容作为升压器件,并且可籍占空比的参数实现可控电压输出,可以外加PWM闭环反馈控制。
一切要从二倍压电荷泵拓扑讲起。
二倍压电荷泵
如下图,所谓的1:2倍压电荷泵是个倍压转换器,由四个开关管和两个电容组成,实现Vout=2*Vin的目标。

其变换动作分成两个阶段:
第一阶段:
开关S3、S2闭合,S1、S4断开,Vin对Cf充电,Cf上的电位左负右正,电容吃电而蓄力;

第二阶段:
开关S3、S2断开,S1、S4闭合,此时Vin与Cf两端的电压串联叠加,然后给Co和负载供电。因为串联后的总电压值为2*Vin,所以会把Co两端的电压充至2*Vin。

通过这2个阶段的循环动作,得到Vout = 2*Vin的结果。但这个1:2电荷泵只有倍压的作用,输出的为固定的2*Vin电压,没法任意设定输出电压值,因而应用场景受限。
混合变换器
那如何变为可控输出呢?我们需要一个能屈能伸的电路。
我们知道,传统的Buck变换器,基于PWM占空比、LC滤波,可以控制输出电压。因此能不能将电荷泵和DC/DC混合起来,做出来一种兼具效率高(电荷泵特点)、输出电压可控(DC/DC特点)的电路呢。
如下图,便是一种混合方式。

该变换器由Cfly电容器、四个开关管,后面再跟一个电感和一个输出电容组成。
通过开关管的变换,以及电感L和Cout电容的低通滤波器作用,能够将SW节点的开关电压波形取平均值,产生一个受占空比控制的输出电压。并且该转换器可籍由开关管的动作配置为Buck或者Boost模式,如下。
混合变换器 - Buck模式
如下图,我们让S1、S3断开,Cfly电容便不工作,这时候便是传统的buck变换器了。

第一阶段:打开开关S2,SW节点的电压为Vin,给电感充电;

第二阶段:打开开关S4,起到续流的作用。

SW节点的电压由此在零和Vin之间变动,如下图所示,再通过LC滤波,输出电压由D*Vin给出。


混合变换器 - Boost模式
升压模式很有趣,与传统Boost相比有很大变化,它的Boost储能器件不再是电感,而是飞电容,此时的电感更像是Buck拓扑中的电感,和Cout搭配起到滤波的作用,它同样有两个操作阶段:
第一阶段:闭合开关S2和S3,Ron为开关导通内阻,关断开关S1和S4,Cfly电容将被充至Vin,左负右正,SW节点电压为Vin。

第二阶段:闭合开关S1,其他开关关断,则Cfly电容上的电压与输入Vin串联叠加,在SW节点产生2*Vin的电压。

因此Boost模式下,SW节点电压将在Vin和2Vin之间周期性地变化,在经过L和Cout构成的低通滤波器滤波滞后,将取该SW节点波形的平均值作为输出电压,此时输出电压Vout由Vin+D*Vin给出,D的变化将导致Vout变化,改善了倍压电荷泵输出电压死板(2*Vin)的问题。
因为SW节点的电压有三种电平,即2*Vin,Vin和零,因此某种程度上也算三电平变换器。

总结
这个电路虽然有趣,但存在不少限制,表现为:
- Buck模式下,就是普普通通的Buck,没有提升效率、降低器件尺寸一说。
- Boost模式下,理论上最高输出电压仅为两倍Vin,可见不算真正意义上的Boost。但因为Clfy电容的加持,一定程度上能提高电路效率,降低电感尺寸,同时能够外加闭环反馈,控制占空比,实现输出电压可变。