選擇升壓轉(zhuǎn)換器電感值

 僅一個電池可能無法為復(fù)雜系統(tǒng)提供正常工作所需的所有電壓軌。汽車LED驅(qū)動器、音頻放大器以及電信等應(yīng)用需要升壓轉(zhuǎn)換器將較低輸入電壓轉(zhuǎn)換為較高輸出電壓。要確定應(yīng)該將轉(zhuǎn)換器的工作模式設(shè)計成連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)、非連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)還是二者的結(jié)合，這對于升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員來說可能不太明確。

升壓轉(zhuǎn)換器的形狀和尺寸多種多樣，所支持的電源等級和升壓比率非常廣泛。這些要求決定了升壓轉(zhuǎn)換器最適合在CCM下工作，還是在DCM 下工作。在DCM下，電感器電流在FET導(dǎo)通時開始從零升高，并在下一個轉(zhuǎn)換周期到來之前完全放電歸零。但在非同步CCM升壓情況下，無論電流是在升高、在下降，還是在將電感器儲存的能量釋放到輸出電容器和負(fù)載中，電感器電流始終大于零。

在CCM下，占空比對負(fù)載而言是恒定的，但會隨輸入電壓變化而變化。在大多數(shù)CCM設(shè)計中，當(dāng)?shù)陀谀骋蛔畹拓?fù)載時，工作模式會轉(zhuǎn)換為DCM，因?yàn)殡姼衅麟娏髟谙乱粋€轉(zhuǎn)換周期到來之前最終會降低至零。

在大多數(shù)情況下，高功率升壓轉(zhuǎn)換器工作在CCM下，而低功率升壓則在DCM下完成。這是因?yàn)镃CM允許較低峰值電流流過整個電路，通常會帶來較低電路損耗。但可能在高電壓升壓轉(zhuǎn)換的輸出整流器中也有例外，例如在PFC中，反向恢復(fù)電流會導(dǎo)致更多損耗。這種損耗通?？刹捎酶哔|(zhì)量(快速)整流器進(jìn)行處理。

如果在 DCM 下工作，會出現(xiàn)在 CCM 模式下兩倍的峰值電感器電流，但如果故意減小電感值，則該電流可能還會高很多。這些更高電流不僅可增大輸入輸出電容器中的均方根電流，而且還可增加FET中的開關(guān)損耗，因此需要更大(或更多)的組件來應(yīng)對附加應(yīng)力。單這一項(xiàng)不足通常就能掩蓋 DCM 在高功率下提供的其它優(yōu)勢。

盡管電感器均方根電流在DCM下更高，但其線阻通常會低很多，因此銅損耗往往與CCM相同或更低。不過，DCM 下的核心損耗在高功率等級下更大。有時候可能需要更大的核心來處理這些增加的損耗，這會使經(jīng)常讓人振奮的“更小電感器尺寸”優(yōu)勢黯然失色。DCM能真正發(fā)揮優(yōu)勢的地方是較低功率等級，這里電容器和FET中增加的應(yīng)力不一定需要較大組件，采用較小電感器即可。

DCM的一個額外優(yōu)勢是在以高升壓比率工作時(此時CCM工作需要大量的導(dǎo)通時間)，可通過減小電感值來縮短導(dǎo)通時間(伴有更高峰值電流)。這非常好，因?yàn)榭刂破鹘?jīng)常會達(dá)到最大可控制導(dǎo)通時間(或最小關(guān)斷時間)限值，跳過脈沖。這樣，設(shè)計人員可根據(jù)控制器的可工作范圍對導(dǎo)通和關(guān)斷時間進(jìn)行微調(diào)。此外，DCM的控制環(huán)路表現(xiàn)要優(yōu)于CCM，因?yàn)闆]有右半平面零點(diǎn)，其可轉(zhuǎn)換為優(yōu)異的瞬態(tài)性能。

有時候可通過減小電感值將RHPZ 的影響降到最低，我們可將RHPZ 推到影響較小的更高頻率位置。無論在輕負(fù)載、啟動還是在瞬態(tài)條件下，所有CCM升壓都可在一定條件下以 DCM模式工作。這完全可以接受，但應(yīng)該搞清楚出現(xiàn)這種情況時的條件。

圖1是電感方程式(方程1)中反向升壓比率(VIN/VOUT)與占空比(D×(1-D)²)的比較圖。該項(xiàng)目與CCM升壓轉(zhuǎn)換器中所需的電感成正比。本圖中的峰值出現(xiàn)在VIN/VOUT比值為2/3時或升壓比率(VOUT/VIN)為1.5[1] 時。這可能是有些不太直觀的結(jié)果。它的意思是，在采用變化輸入電壓的設(shè)計中，電路必須在 VIN/VOUT 比率的一個區(qū)段間工作。如果該范圍非常廣泛而且該區(qū)段包含圖1中的峰值，那就應(yīng)該在2/3 的VIN/VOUT比率位置計算電感。如果該區(qū)段不包含2/3點(diǎn)，那它就應(yīng)該在其相對峰值比率處進(jìn)行設(shè)計。

圖1.CCM所需的最大電感出現(xiàn)在VIN/VOUT = 2/3時

方程1

圖2是汽車LED驅(qū)動器應(yīng)用，其采用控制器調(diào)節(jié)輸出電流，而不是固定輸出電壓。該設(shè)計電路在0.27至0.97的區(qū)段間工作，如圖1中虛線所示。應(yīng)在2/3的比率位置計算其電感。LED負(fù)載電流是恒定的，因此要選擇所需的電感，就得選擇低于實(shí)際負(fù)載電流的設(shè)計負(fù)載電流。只要實(shí)際負(fù)載電流大于這一所選等級，轉(zhuǎn)換器就會在CCM下工作。

圖2.LED升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計示例始終在CCM下工作，負(fù)載恒定

在本示例中，LED電流為0.22A，選擇了0.15A的臨界傳導(dǎo)等級，這就意味著轉(zhuǎn)換器應(yīng)始終在CCM下工作。該等級可在最大限度降低所需電感與確保CCM工作之間實(shí)現(xiàn)良好平衡。對于該設(shè)計，這相當(dāng)于是68uH 的計算所得電感。要證實(shí)該電感是否正確，可將圖[2]的D(1-D)2項(xiàng)指定為常數(shù)K。將該常數(shù)代入方程1并進(jìn)行計算，可通過方程 2 計算出 K 值。我們可使用K的計算值來確定工作邊界。

方程 2

圖3與圖1相比稍有不同，橫坐標(biāo)變成了占空比，而不是原來的VIN/VOUT。圖中顯示了設(shè)計示例(采用68uH電感器)的K計算值以及0.15A 的降低負(fù)載電流。我們可以看到，電路工作一直處于該曲線上方，這說明在所有輸出電壓下電路將始終在CCM下工作。但電路實(shí)際可將電流調(diào)節(jié)為0.22A，因此K的典型值接近0.23。這明顯高于該曲線而且更加深入CCM，因此可提供所需的裕量。

圖3.占空比可影響升壓轉(zhuǎn)換器的工作模式

正如另一個可形象展示意外工作情況的設(shè)計點(diǎn)示例所示，必須考慮在改用33uH電感器時會出現(xiàn)的情況。如果該值通過VIN最大值或VIN最小值計算，而不是通過與圖1峰值有關(guān)的VIN 計算，就可對其進(jìn)行選擇。由于電感為33uH，因此 K 的對應(yīng)值等于 0.11，如圖3 所示。在0.16與0.55(分別對應(yīng)28VIN和15VIN)的工作占空比之間，電路會無意間工作在DCM下，而在這些占空比以外則工作在CCM下。由于兩種模式具有不同的控制環(huán)路特征，因此如果在多種模式下工作可能會導(dǎo)致適當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定性。

升壓轉(zhuǎn)換器可在CCM、DCM或這兩種模式下工作，主要取決于輸入電壓和負(fù)載。在計算所需的電感以確保CCM工作時，必須知道計算中使用的輸入電壓(或占空比)值。對于具有寬泛輸入的設(shè)計而言，應(yīng)使用 2/3的 VIN/VOUT比率 (D = 0.33)?，F(xiàn)有設(shè)計可使用方程2計算出的K值通過D(1-D)²曲線確定工作模式。通過正確調(diào)整電感器尺寸，可以避免意外問題發(fā)生，并能更好地掌握升壓轉(zhuǎn)換器正工作在哪種或哪幾種模式下。