選擇升壓轉(zhuǎn)換器電感值

僅一個(gè)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(dòng)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(jì)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(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(jí)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(shí)開始從零升高，并在下一個(gè)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(chǔ)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(duì)負(fù)載而言是恒定的，但會(huì)隨輸入電壓變化而變化。在大多數(shù) CCM 設(shè)計(jì)中，當(dāng)?shù)陀谀骋蛔畹拓?fù)載時(shí)，工作模式會(huì)轉(zhuǎn)換為 DCM，因?yàn)殡姼衅麟娏髟谙乱粋€(gè)轉(zhuǎn)換周期到來之前最終會(huì)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)?CCM 允許較低峰值電流流過整個(gè)電路，通常會(huì)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(huì)導(dǎo)致更多損耗。這種損耗通常可采用高質(zhì)量(快速)整流器進(jìn)行處理。

如果在 DCM 下工作，會(huì)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(huì)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(duì)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(shì)。

盡管電感器均方根電流在 DCM 下更高，但其線阻通常會(huì)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(jí)下更大。有時(shí)候可能需要更大的核心來處理這些增加的損耗，這會(huì)使經(jīng)常讓人振奮的“更小電感器尺寸”優(yōu)勢(shì)黯然失色。DCM 能真正發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的地方是較低功率等級(jí)，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(gè)額外優(yōu)勢(shì)是在以高升壓比率工作時(shí)(此時(shí) CCM 工作需要大量的導(dǎo)通時(shí)間)，可通過減小電感值來縮短導(dǎo)通時(shí)間(伴有更高峰值電流)。這非常好，因?yàn)榭刂破鹘?jīng)常會(huì)達(dá)到最大可控制導(dǎo)通時(shí)間(或最小關(guān)斷時(shí)間)限值，跳過脈沖。這樣，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)控制器的可工作范圍對(duì)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)或升壓比率 (VOUT/VIN) 為 1.5[1] 時(shí)。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(jì)中，電路必須在 VIN/VOUT 比率的一個(gè)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(jì)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(duì)峰值比率處進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖 1.CCM 所需的最大電感出現(xiàn)在 VIN/VOUT = 2/3 時(shí)

方程 1

圖 2 是汽車 LED 驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)負(fù)載電流。只要實(shí)際負(fù)載電流大于這一所選等級(jí)，轉(zhuǎn)換器就會(huì)在 CCM 下工作。

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圖 2.LED 升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(jí)，這就意味著轉(zhuǎn)換器應(yīng)始終在 CCM 下工作。該等級(jí)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(duì)于該設(shè)計(jì)，這相當(dāng)于是 68uH 的計(jì)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(jì)算，可通過方程 2 計(jì)算出 K 值。我們可使用 K 的計(jì)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(jì)示例(采用 68uH 電感器)的 K 計(jì)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(gè)可形象展示意外工作情況的設(shè)計(jì)點(diǎn)示例所示，必須考慮在改用 33uH 電感器時(shí)會(huì)出現(xiàn)的情況。如果該值通過 VIN 最大值或 VIN 最小值計(jì)算，而不是通過與圖 1 峰值有關(guān)的 VIN 計(jì)算，就可對(duì)其進(jìn)行選擇。由于電感為 33uH，因此 K 的對(duì)應(yīng)值等于 0.11，如圖 3 所示。在 0.16 與 0.55(分別對(duì)應(yīng) 28VIN 和 15VIN)的工作占空比之間，電路會(huì)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(huì)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(jì)算所需的電感以確保 CCM 工作時(shí)，必須知道計(jì)算中使用的輸入電壓(或占空比)值。對(duì)于具有寬泛輸入的設(shè)計(jì)而言，應(yīng)使用 2/3 的 VIN/VOUT 比率 (D = 0.33)。現(xiàn)有設(shè)計(jì)可使用方程 2 計(jì)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。

John Betten 是德州儀器的應(yīng)用工程師，也是 TI 科技委員會(huì)的資深委員，擁有超過 28 年的 AC/DC 及 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。John 畢業(yè)于匹茲堡大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位，是IEEE 會(huì)員。