降壓型和升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波差異

首先來(lái)介紹第一個(gè)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”。

?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

?工作條件對(duì)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(jìn)行說(shuō)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(lái)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(huì)直接輸出受紋波電流影響而波動(dòng)的電感電流，由輸出電容器對(duì)波動(dòng)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(duì)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(guò)平滑濾波動(dòng)作，對(duì)輸出電容器充放電的電荷量Q庫(kù)侖帶來(lái)的電壓波動(dòng)，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(duì)電容器充放電電荷量Q庫(kù)侖產(chǎn)生的電壓進(jìn)行說(shuō)明。

流過(guò)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)會(huì)增加，在低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)會(huì)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(guò)平均值時(shí)向輸出電容器充電，當(dāng)?shù)陀谄骄禃r(shí)則對(duì)輸出電容器放電。

因此，充電從高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的中央開(kāi)始，在低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的中央結(jié)束，然后從這個(gè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始放電，并在高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的中央結(jié)束。充放電電流從0開(kāi)始，呈線(xiàn)性增減，并形成線(xiàn)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(kāi)關(guān)頻率和電感值計(jì)算出來(lái)的，通常設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)改變，因此無(wú)論輸出電流值如何，輸出電容器產(chǎn)生的紋波電壓都會(huì)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(shí))，具有旨在改善二極管整流時(shí)和輕負(fù)載時(shí)效率的輕負(fù)載模式的產(chǎn)品，充放電電荷量可能會(huì)受導(dǎo)通時(shí)間控制或間歇開(kāi)關(guān)工作等因素的影響而變化，紋波電壓也可能會(huì)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(huì)反復(fù)執(zhí)行通過(guò)在低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感電流增加來(lái)積蓄能量、以及在高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)釋放能量來(lái)減少電感電流的動(dòng)作。僅在高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，電流才會(huì)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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間變?yōu)?0%，高邊開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間變?yōu)?0%。

在電感器中連續(xù)流過(guò)平均5A的電流。在高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的20%時(shí)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(huì)使輸出電容器的電壓上升，低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電感器儲(chǔ)能時(shí)沒(méi)有電流供給，所以從輸出電容器放電1A，該放電電流會(huì)導(dǎo)致電壓下降。對(duì)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(shí)，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(duì)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(dòng)量被平滑濾波;而對(duì)于升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器而言，由于需要對(duì)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(shí)，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(shí)，其實(shí)際有效電容量會(huì)減小。對(duì)于降壓型轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，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(huì)引發(fā)問(wèn)題。

然而對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，其輸出電壓通常較高，并且在施加高電壓時(shí)，其有效電容量可能會(huì)大大減少，甚至只有標(biāo)稱(chēng)容量的幾分之一。有效電容量的大幅減少，不僅會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于設(shè)計(jì)值的紋波電壓，還可能會(huì)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(wèn)題，因此必須對(duì)實(shí)際有效的電容量進(jìn)行確認(rèn)。