H桥降压-升压IC的交替控制策略与瞬态响应优化

在输入电压可能高于或低于输出电压的应用中（如电池供电系统、LED驱动、便携设备电源），H桥降压-升压（Buck-Boost）单级转换器因其无需变压器、成本低于SEPIC等拓扑而广受青睐。然而，其多模态切换特性对控制环路设计和瞬态响应提出了挑战。本文从工程角度解析交替式降压-升压控制的优势，并探讨如何通过补偿网络优化全工作区间的动态性能。

工作模式与交替控制机制

H桥降压-升压IC通过四个开关（S1–S4）实现三种工作模式：

降压模式（VIN ≫ VOUT）：S3常闭，S4常开，S1/S2以FPWM方式切换；

升压模式（VIN ≪ VOUT）：S1常闭，S2常开，S3/S4切换；

降压-升压模式（VIN ≈ VOUT）：采用交替控制——先完成一个完整降压周期（S1/S2动作），再执行一个完整升压周期（S3/S4动作）。

该策略的关键优势在于：有效开关频率减半（例如标称2.1 MHz下，每侧实际工作频率为1.05 MHz），从而降低开关损耗与EMI。更重要的是，在VIN ≈ VOUT区域，交替控制使电感电流纹波分布更均匀，并将右半平面零点（RHPZ）推至更高频段，减轻其对环路稳定的限制。

瞬态响应瓶颈与RHPZ影响

在升压或降压-升压区域，系统存在RHPZ，其频率由下式决定：

动态补偿策略：自适应RC网络

为兼顾升压区稳定性与降压区快速响应，可采用双电阻补偿网络（图1）：

图1 瞬态改善电路。

主补偿元件：Rcomp1 + Ccomp，设定基础环路增益；

辅助电阻 Rcomp2 与模拟开关并联，由模式检测逻辑控制。

工作逻辑：

升压/降压-升压模式：开关闭合，短路Rcomp2，降低增益，确保 fc<fRHPZ/5；

降压模式：开关断开，Rcomp2接入，提升中频增益，将 fc 提高至100 kHz。

实测表明（图2–4），该方案在VIN=6V（升压）时输出过冲426 mV，VIN=18V（降压）时仅167 mV，VIN=13V（Buck-Boost）时201 mV，满足±5%（650 mV）波动要求，且输出电容仅需22 µF。

图2

图3

图4

控制架构选择：平均电流模式优势

推荐采用平均电流模式控制（ACMC），因其具备：

强抗噪能力：积分器滤除电流尖峰，避免峰值/谷值模式下的采样误触发；

无斜率补偿需求：简化DCM设计，提升轻载效率；

极小最小导通时间：支持高频（如2.1 MHz）与宽占空比范围；

天然均流能力：适用于多相并联系统。

设计建议

电感选型：优先选择低DCR、高饱和电流的1–2.2 µH屏蔽电感；

输出电容：按最坏情况（最低VIN）计算，预留20%裕量；

模式切换阈值：设置足够滞回（如±0.5V），防止频繁振荡；

PCB布局：将功率回路（VIN–L–SW–GND）面积最小化，降低EMI。

结语

H桥降压-升压IC通过交替控制与自适应补偿，可在宽输入范围内实现高效、稳定的电压调节。工程师应重点关注RHPZ对环路带宽的限制，并利用动态补偿技术平衡稳定性与瞬态性能。结合平均电流模式控制，该架构为单级宽VIN应用提供了兼具性能与成本优势的实用方案。