升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓

前言

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器都是轉(zhuǎn)變輸入電壓并輸出與輸入電壓不同電壓的器件。在轉(zhuǎn)變過程中變化的電感電流會被輸出電容器轉(zhuǎn)換為平滑的直流電，但此時并沒有變成完全的直流電，而是殘留著被稱為“紋波電壓”的波動電壓分量。紋波電壓可能會產(chǎn)生噪聲，并給電路的正常工作造成不良影響，因此在設(shè)計(jì)電源時，需要計(jì)算出紋波電壓的大小。但是，由于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理不同，因此，不同的工作條件對所產(chǎn)生的紋波電壓大小的影響也大不相同。這就需要了解工作原理的不同對輸出電容器平滑濾波后的電流波形所帶來的差異，并正確計(jì)算紋波電壓的大小。

在本系列文章中，將從升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出紋波電壓與輸出電容器的容量之間的關(guān)系出發(fā)，介紹以下兩個主題。

首先來介紹第一個主題：“降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器與升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波差異”。

關(guān)于降壓型和升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波差異，我們將分“降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓”和“升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓”兩部分進(jìn)行說明。

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓

為了更好地理解升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器和降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出紋波電壓之間的差異，我們先來了解一下降壓電源的輸出紋波電壓。

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器會直接輸出受紋波電流影響而波動的電感電流，由輸出電容器對波動的電流進(jìn)行平滑濾波。被輸出的電流為“直流電流+電感紋波電流”，輸出電容器僅對電感紋波電流（即交流分量）進(jìn)行平滑濾波。輸出電容器產(chǎn)生的紋波電壓ΔV基本上是通過平滑濾波動作，對輸出電容器充放電的電荷量Q庫侖帶來的電壓波動，即ΔV=Q/C。更準(zhǔn)確地講，波形是根據(jù)充放電電流值，電容器的ESR×充放電電流所產(chǎn)生的電壓、充放電電流的電流變化和ESL分量的微分電壓的總和，在這里我們僅按照基于對電容器充放電電荷量Q庫侖產(chǎn)生的電壓進(jìn)行說明。

流過電感的電流為“直流分量+紋波電流（P-P值）”。紋波電流在高邊開關(guān)導(dǎo)通時間內(nèi)會增加，在低邊開關(guān)導(dǎo)通時間內(nèi)會減少，增加和減少的電流的平均值即為直流輸出電流。當(dāng)超過平均值時向輸出電容器充電，當(dāng)?shù)陀谄骄禃r則對輸出電容器放電。因此，充電從高邊開關(guān)導(dǎo)通時間的中央開始，在低邊開關(guān)導(dǎo)通時間的中央結(jié)束，然后從這個時間點(diǎn)開始放電，并在高邊開關(guān)導(dǎo)通時間的中央結(jié)束。充放電電流從0開始，呈線性增減，并形成線性增減的三角形。這種充放電電流用電容器積分得到的電壓呈圖中所示的圓弧形，即輸出電容器產(chǎn)生的紋波電壓。
由于V=Q/C，所以產(chǎn)生的紋波電壓大小取決于電荷量和電容量，與紋波電流的大小成正比，與輸出電容器的電容量成反比。紋波電流的大小是根據(jù)輸入輸出電壓、開關(guān)頻率和電感值計(jì)算出來的，通常設(shè)計(jì)時是按照最大輸出電流值的30%左右進(jìn)行設(shè)計(jì)的。即使輸出電流值增加或減少，降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電感紋波電流值也不會改變，因此無論輸出電流值如何，輸出電容器產(chǎn)生的紋波電壓都會保持恒定值。但是，在輕負(fù)載期間（比如當(dāng)輸出電流小于紋波電流值的一半時），具有旨在改善二極管整流時和輕負(fù)載時效率的輕負(fù)載模式的產(chǎn)品，充放電電荷量可能會受導(dǎo)通時間控制或間歇開關(guān)工作等因素的影響而變化，紋波電壓也可能會發(fā)生變化。

升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓

在升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中，會反復(fù)執(zhí)行通過在低邊開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增加來積蓄能量、以及在高邊開關(guān)導(dǎo)通時釋放能量來減少電感電流的動作。僅在高邊開關(guān)導(dǎo)通期間，電流才會供給輸出電容器，因此，供給的電流是間歇性的脈沖狀充電電流。

在圖例中，假設(shè)是效率為100%的理想電源，要將電壓從2V提高到10V1A，需要5A的輸入電流。由于電壓提高了5倍，因此低邊開關(guān)的導(dǎo)通時間變?yōu)?0%，高邊開關(guān)的導(dǎo)通時間變?yōu)?0%。在電感器中連續(xù)流過平均5A的電流。在高邊開關(guān)導(dǎo)通的20%時間內(nèi)，平均供電電流為5A，負(fù)載電流為1A，因此(5A-1A)=4A的充電電流會使輸出電容器的電壓上升，低邊開關(guān)導(dǎo)通，電感器儲能時沒有電流供給，所以從輸出電容器放電1A，該放電電流會導(dǎo)致電壓下降。對輸出電容器的充電和放電，導(dǎo)致輸出電壓中產(chǎn)生紋波電壓。

當(dāng)負(fù)載電流恒定時，根據(jù)Q=I×T，充放電的電荷量Q相同，紋波電壓ΔV=Q/CO，因此輸出電容器CO的容量越大，紋波電壓越小。對于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器而言，輸出紋波電壓中只有電感紋波電流引起的電流波動量被平滑濾波；而對于升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器而言，由于需要對輸出的脈沖狀供電電流進(jìn)行平滑濾波，因此，要平滑濾波的電荷量也較大，同等程度的紋波電壓需要使用更大容量的輸出電容器。

使用大容量多層陶瓷電容器作為輸出電容器時，需要注意的是：多層陶瓷電容器具有直流偏置特性，也就是當(dāng)施加高電壓時，其實(shí)際有效電容量會減小。對于降壓型轉(zhuǎn)換器來說，輸出電壓通常較低，因此電容量減少在大多數(shù)情況下不會引發(fā)問題。然而對于升壓轉(zhuǎn)換器來說，其輸出電壓通常較高，并且在施加高電壓時，其有效電容量可能會大大減少，甚至只有標(biāo)稱容量的幾分之一。有效電容量的大幅減少，不僅會產(chǎn)生數(shù)倍于設(shè)計(jì)值的紋波電壓，還可能會因輸出容量不足而產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)特性和負(fù)反饋控制安全性方面的問題，因此必須對實(shí)際有效的電容量進(jìn)行確認(rèn)。

本文第二個主題：“工作條件對升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出紋波的影響”。

關(guān)于升壓電源輸出紋波電壓的波形和大小的依賴性，將分“升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓波形”、“改變電感值對輸出紋波電壓的影響”和“輸出電流的變化對紋波電壓的影響”三部分進(jìn)行解釋說明。

升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓波形

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓波形由于充放電電流以三角波狀線性增減而呈圓弧形。對于升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器而言，充電電流是梯形的，放電電流是方形恒流狀態(tài)的。恒流充電產(chǎn)生的電壓是三角波狀的電壓。但是，從充電到放電、以及從放電到充電的轉(zhuǎn)換過程中電流變化速度比降壓型要快得多。由于電流的變化速度非常快，電容器的ESL分量中會產(chǎn)生尖峰狀的微分電壓，高頻噪聲分量變得非常大。該尖峰狀噪聲的頻率分量是非常高的頻率，以輸出電容器所用的數(shù)十μF級的大容量電容器的頻率特性，是無法消除的。要想消除數(shù)十MHz頻段的高頻噪聲，需要在最靠近高邊開關(guān)輸出端的位置連接0.1μF以下的高頻特性優(yōu)異的小型小容量陶瓷電容器，以將高頻噪聲旁路。

改變電感值對輸出紋波電壓的影響

對于降壓轉(zhuǎn)換器而言，提高電感值可以使電感紋波電流減小，從而降低輸出電容器的充放電電荷量，最終使輸出紋波減小。因此，如果需要低噪聲電源，在設(shè)計(jì)時就需要較大的電感值。對于升壓轉(zhuǎn)換器來說，提高電感值也會減小電感紋波電流。這會使對于輸出電容器的充電電流脈沖峰值變小，但由于平均電流值不變，因此對電容器充放電的電荷量也不會發(fā)生變化。所以，升壓轉(zhuǎn)換器即使通過提高電感值來減小電感紋波電流，紋波電壓也不會減小，電感值的大小對紋波電壓的大小沒有影響。當(dāng)電感值減小時，充電時的電流變化量會變大，使充電時的電壓波形呈圓弧狀，但在放電時，由于電感電流對紋波電壓沒有影響，所以電壓波形呈隨負(fù)載電流線性下降的形狀。

額定電流相同的電感器，提高電感值會增大電感器的物理尺寸，成本會更高。當(dāng)負(fù)載電流變化時，需要增加或減小電感電流來跟隨其變化，但如果紋波電流較小，則電感電流的增減變化速度也會較緩慢，因此對負(fù)載電流增減變化的跟隨速度也會變慢。考慮到降低成本和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性，升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電感值應(yīng)該越小越好。

輸出電流的變化對紋波電壓的影響

接下來我們來了解一下紋波電壓對負(fù)載電流大小的依賴性。對于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器而言，即使輸出電流發(fā)生變化，紋波電壓也不會變化，但升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器則不同，其紋波電壓對輸出電流的依賴性很強(qiáng)。當(dāng)負(fù)載電流IOUT較大時，充電脈沖峰值也較高，對CO的充放電電流會增加，紋波電壓也會變大；但當(dāng)負(fù)載電流IOUT較小時，對CO的充放電電流減少，紋波電壓也會變小，在無負(fù)載時幾乎為0。升壓轉(zhuǎn)換器的紋波電壓與輸出電流幾乎成正比地增加或減少，因此需要確認(rèn)紋波電壓的大小在最大負(fù)載電流時是否會引起問題。

當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)一步減小變?yōu)闊o負(fù)載狀態(tài)時，輸出電容器不再放電，電壓不再下降，因此不再需要能量供給，開關(guān)工作變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)。由于輸出電容器沒有充放電，因此電壓不會波動，輸出紋波電壓變?yōu)榱恪?shí)際上，即使在無負(fù)載狀態(tài)下，受流過電壓設(shè)置電阻等的電流影響，電壓也會漸漸下降，因此負(fù)載電流有時也會使用開關(guān)以恢復(fù)下降的電壓。此時，低邊開關(guān)在最短的時間內(nèi)進(jìn)行開關(guān)動作，以提供最小的能量，提供的電荷量會而導(dǎo)致電壓上升，并會跳過下一次開關(guān)動作，直到電壓下降到一定值的程度。即使在無負(fù)載的狀態(tài)下，該動作也會產(chǎn)生很小的紋波電壓。

在輕負(fù)載時，開關(guān)動作帶來的電源電路自身功耗會變得大于輸出功率，導(dǎo)致效率變差。為了改善這一點(diǎn)，有些產(chǎn)品具有稱為“輕負(fù)載模式”的功能，利用該功能，可以切換到工作模式以改善輕負(fù)載時的效率。不是在輕負(fù)載時以最短導(dǎo)通時間進(jìn)行開關(guān)動作，而是通過延長導(dǎo)通時間以增加1次開關(guān)的能量。通過增加對輸出電容器的充電量，提高電壓上升程度，延長到電壓下降時所需的時間，從而延長開關(guān)周期。這這樣可以大大減少開關(guān)次數(shù)，從而減少自身功耗，因此可提高輕負(fù)載時的效率。但是，需要注意的是，采用這種控制方式時，會因每次開關(guān)的充放電量增加而導(dǎo)致紋波電壓變大。