通過波形檢查，判斷我們的升壓轉(zhuǎn)換器工作是否正常

作為一名應(yīng)用工程師，我經(jīng)常收到有關(guān)開關(guān)穩(wěn)壓器中電壓和電流的詢問。而且我經(jīng)常意識(shí)到，我在大學(xué)里學(xué)到的基本理論并不總是能說明問題的全部。最近在TPS65150 LCD 偏置器件中使用異步升壓轉(zhuǎn)換器的案例就是我所說的一個(gè)很好的例子。當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器必須提供高輸出電壓、在低輸入電壓下工作、提供高升壓比或支持高負(fù)載電流時(shí)，需使用多相位功能。相比單相位設(shè)計(jì)，多相位升壓設(shè)計(jì)有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括：提高效率、改善瞬態(tài)響應(yīng)，以及降低輸入和輸出電容值（因?yàn)殡姼屑y波電流，以及輸入和輸出電容中的紋波電流降低），使得整個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器動(dòng)力系統(tǒng)組件上的熱應(yīng)力降低。

設(shè)計(jì)多相位升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，簡(jiǎn)單之處在于連接輸入電源和輸出電軌，以減小輸入/輸出濾波器的尺寸，并且降低其成本。難點(diǎn)則在于連接誤差放大器的輸出和相位控制器的反饋引腳，以確保實(shí)現(xiàn)平衡均流和正確的相位同步。這兩種信號(hào)對(duì)噪聲極其敏感，即使采用非常精細(xì)的布局，也會(huì)受到升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中典型的尖峰電流和電壓變化影響。一些升壓控制器具備多相位功能，可以解決此問題，但很多都沒有。

TPS65150器件提供了一種非常緊湊和小型的電源解決方案，可以提供薄膜晶體管(TFT) LCD顯示器所需的所有三個(gè)電壓。該設(shè)備的輸入電壓范圍為1.8 V至6 V，是2.5 V或3.3 V輸入軌供電的筆記本電腦或5 V輸入電壓軌的監(jiān)視器應(yīng)用的理想選擇。此外，TPS65150器件提供了一個(gè)集成的高電流緩沖器，為TFT背板提供VCOM電壓。

兩個(gè)調(diào)節(jié)可調(diào)電荷泵驅(qū)動(dòng)器為TFT提供正V(VGH)和負(fù)V(VGL)偏置電壓。該設(shè)備包括可調(diào)節(jié)的V(VGL)和V(VGH)上電順序。這避免了任何額外的外部組件來實(shí)現(xiàn)特定于應(yīng)用程序的排序。該設(shè)備有一個(gè)集成的高壓開關(guān)來隔離V(VGH)。

同樣的內(nèi)部電路也可以用來為應(yīng)用于CTRL輸入的信號(hào)控制的LCD面板提供V(VGH)的門形信號(hào)。為了最高的安全性，TPS65150設(shè)備具有集成的可調(diào)關(guān)機(jī)鎖存器功能，允許特定應(yīng)用的靈活性。該設(shè)備監(jiān)控輸出(V(VS)， V(VGL)， V(VGH));而且，一旦其中一個(gè)輸出低于其功率良好閾值，設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)鎖存器，在其可調(diào)延遲時(shí)間經(jīng)過之后。

讓我們從升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)外觀的基本理論開始。圖 1 顯示了異步升壓轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)。

圖 1：簡(jiǎn)化的升壓轉(zhuǎn)換器框圖

當(dāng)晶體管 Q1 導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)拉至地并且電感器 L1 充電。開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓在導(dǎo)通期間大約等于 0V。在關(guān)斷期間，Q1 關(guān)斷，L1 向輸出放電，開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓等于輸出電壓 (V O ) 加上二極管 D1上的正向電壓 (V F )。

圖 2 顯示了典型工作條件下的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。正如預(yù)期的那樣，開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓是矩形的，并在地和 V O + V F之間交替。

圖 2：開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

但在低輸出電流條件下，開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形形狀發(fā)生變化，如圖 3 所示。在關(guān)斷時(shí)間開始時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓為 V O + V F（如前所述），但隨后呈線性下降. 是什么導(dǎo)致了這種行為，與基本理論有什么區(qū)別？

圖 3：低輸出電流下的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

圖 4 所示的內(nèi)部框圖揭示了傾斜波形的原因：一個(gè)額外的 PMOS 晶體管 (Q2) 連接在二極管整流器上。該晶體管是一個(gè)同步整流器，可讓轉(zhuǎn)換器在所有工作條件下以連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 工作。它在電感電流為負(fù)時(shí)打開，在所有其他時(shí)間關(guān)閉。因?yàn)椴皇侵髡鳎琎2的Rds (on)可以比較高(幾歐)，效率不會(huì)降低很多，但是高Rds (on)會(huì)導(dǎo)致負(fù)電感電流流過開關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生壓降通過這。并且由于電感電流呈線性增加，壓降也隨之增加，造成如圖 3 所示的斜率。

圖 4：顯示同步整流器的內(nèi)部框圖

圖 5 顯示了電感電流和開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，并確認(rèn)開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的斜坡在電感電流變?yōu)樨?fù)值時(shí)開始，并隨著電感電流的增加而增加。

圖 5：開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和電感電流波形

請(qǐng)注意，對(duì)于所有低于臨界導(dǎo)通點(diǎn)的輸出電流，斜坡都會(huì)開始。我們可以使用公式 1 計(jì)算臨界傳導(dǎo)電流：

其中 D 是占空比（升壓： ），L 是電感，是開關(guān)頻率。