工作條件對升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出紋波的影響

DC/DC轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源芯片，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關(guān)(MOSFET等)進行高頻開關(guān)的動作，將輸入的電能儲存在電容(感)里，當(dāng)開關(guān)斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開關(guān)導(dǎo)通時間與整個開關(guān)的周期的比值)有關(guān)。開關(guān)電源可以用于升壓和降壓。輸出電壓通過分壓電阻與基準電壓作比較，從而形成一個反饋。當(dāng)輸出電壓減小并低于基準電壓，比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)并觸發(fā)振蕩電路開始工作。振蕩電路輸出一個固定時間的脈沖，用于控制MOS管的導(dǎo)通。反之則MOS管將被截止。其中導(dǎo)通由振蕩器控制，而截止時間取決于負載。按這樣的方法，即可控制輸出電壓。

工作條件對升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出紋波的影響

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)頻率和電感值計算出來的，通常設(shè)計時是按照最大輸出電流值的30%左右進行設(shè)計的。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載時效率的輕負載模式的產(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)特性和負反饋控制安全性方面的問題，因此必須對實際有效的電容量進行確認。