R课堂|降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异

罗姆半导体集团 2024-04-24 08:02

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本文的关键要点

・在降压型DC-DC转换器中，输出纹波电压是通过电感纹波电流的平滑滤波而产生的，由于电感纹波电流不依赖于负载电流，因此输出纹波电压是恒定值。

・在升压型DC-DC转换器中，输出电容器对脉冲状电流进行平滑滤波，因此平滑滤波期间的充放电量很大，需要大容量的输出电容器。

・多层陶瓷电容器受其直流偏置特性的影响，在施加高电压时其实际有效的电容量会大幅减少，因此在升压型DC-DC转换器的输出端使用时，需要注意有效电容量减少的问题。

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・降压型DC-DC转换器的输出纹波电压
・升压型DC-DC转换器的输出纹波电压

首先来介绍第一个主题：“降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异”。

・降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异

・工作条件对升压型DC-DC转换器输出纹波的影响

关于降压型和升压型DC-DC转换器的输出纹波差异，我们将分“降压型DC-DC转换器的输出纹波电压”和“升压型DC-DC转换器的输出纹波电压”两部分进行说明。

降压型DC-DC转换器的输出纹波电压

为了更好地理解升压型DC-DC转换器和降压型DC-DC转换器输出纹波电压之间的差异，我们先来了解一下降压电源的输出纹波电压。

降压型DC-DC转换器会直接输出受纹波电流影响而波动的电感电流，由输出电容器对波动的电流进行平滑滤波。被输出的电流为“直流电流+电感纹波电流”，输出电容器仅对电感纹波电流（即交流分量）进行平滑滤波。输出电容器产生的纹波电压ΔV基本上是通过平滑滤波动作，对输出电容器充放电的电荷量Q库仑带来的电压波动，即ΔV=Q/C。

更准确地讲，波形是根据充放电电流值，电容器的ESR×充放电电流所产生的电压、充放电电流的电流变化和ESL分量的微分电压的总和，在这里我们仅按照基于对电容器充放电电荷量Q库仑产生的电压进行说明。

流过电感的电流为“直流分量+纹波电流（P-P值）”。纹波电流在高边开关导通时间内会增加，在低边开关导通时间内会减少，增加和减少的电流的平均值即为直流输出电流。当超过平均值时向输出电容器充电，当低于平均值时则对输出电容器放电。

因此，充电从高边开关导通时间的中央开始，在低边开关导通时间的中央结束，然后从这个时间点开始放电，并在高边开关导通时间的中央结束。充放电电流从0开始，呈线性增减，并形成线性增减的三角形。这种充放电电流用电容器积分得到的电压呈图中所示的圆弧形，即输出电容器产生的纹波电压。

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由于V=Q/C，所以产生的纹波电压大小取决于电荷量和电容量，与纹波电流的大小成正比，与输出电容器的电容量成反比。纹波电流的大小是根据输入输出电压、开关频率和电感值计算出来的，通常设计时是按照最大输出电流值的30%左右进行设计的。即使输出电流值增加或减少，降压型DC-DC转换器的电感纹波电流值也不会改变，因此无论输出电流值如何，输出电容器产生的纹波电压都会保持恒定值。

但是，在轻负载期间（比如当输出电流小于纹波电流值的一半时），具有旨在改善二极管整流时和轻负载时效率的轻负载模式的产品，充放电电荷量可能会受导通时间控制或间歇开关工作等因素的影响而变化，纹波电压也可能会发生变化。

升压型DC-DC转换器的输出纹波电压

在升压型DC-DC转换器中，会反复执行通过在低边开关导通时电感电流增加来积蓄能量、以及在高边开关导通时释放能量来减少电感电流的动作。仅在高边开关导通期间，电流才会供给输出电容器，因此，供给的电流是间歇性的脉冲状充电电流。

在图例中，假设是效率为100%的理想电源，要将电压从2V提高到10V1A，需要5A的输入电流。由于电压提高了5倍，因此低边开关的导通时间变为80%，高边开关的导通时间变为20%。

在电感器中连续流过平均5A的电流。在高边开关导通的20%时间内，平均供电电流为5A，负载电流为1A，因此(5A-1A)=4A的充电电流会使输出电容器的电压上升，低边开关导通，电感器储能时没有电流供给，所以从输出电容器放电1A，该放电电流会导致电压下降。对输出电容器的充电和放电，导致输出电压中产生纹波电压。