?升壓轉(zhuǎn)換器中的輸出電壓和二極管電流

了解輸出電壓和二極管電流如何影響升壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的性能。

在前面的文章中，我們使用圖1中的LTspice示意圖來(lái)探討基本升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)決策和操作細(xì)節(jié)?，F(xiàn)在我們將通過(guò)分析其輸出組件的電氣行為來(lái)繼續(xù)我們對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢查。

低壓示意圖。

?圖1。LTspice中使用的升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。

輸出電壓和紋波

該電路當(dāng)前被配置為將2.5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V輸出電壓；如圖2所示，實(shí)際輸出電壓為4.94V。如果我們想要微調(diào)輸出電壓，我們可以對(duì)占空比進(jìn)行小的調(diào)整，但實(shí)際上不需要——實(shí)際的實(shí)施方式將使用反饋來(lái)確保VOUT保持非常接近額定值，盡管負(fù)載電流和輸入電壓發(fā)生變化。

升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓以LTspice表示。疊加光標(biāo)框?qū)⑤敵鲭妷猴@示為數(shù)字值。

?圖2。圖1中升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

啟動(dòng)后，輸出電容器充電，輸出電壓向其最終值逐漸增加。圖3顯示了四個(gè)不同COUT值的啟動(dòng)行為。（在我的原理圖中，COUT由一個(gè)電容器C1表示；在物理電路中，COUT通常由多個(gè)電容器組成。）

LTspice圖顯示四個(gè)不同輸出電容值的升壓轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)行為。

?圖3。四個(gè)不同COUT值的升壓轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)行為：5μF（綠色軌跡）、20μF（藍(lán)色軌跡）、47μF（紅色軌跡）和100μF（青色軌跡）。

輸出電容值影響啟動(dòng)后達(dá)到可接受的輸出電壓所需的時(shí)間量。如果您有一個(gè)需要快速啟動(dòng)的應(yīng)用程序，那么您可能需要使用更小的電容器來(lái)減少COUT。

讓我們回到我們?cè)瓉?lái)的47μF COUT，然后來(lái)看一下紋波（圖4）。

升壓波形圖。

?圖4。耦合輸出=μF。 

我們模擬的峰峰值紋波小于1mV，這是非常低的。我們將在下一節(jié)討論為什么。

然而，在此之前，我們首先為這種緊湊、低功率電路提供了大量的輸出電容。圖5顯示了當(dāng)我們將COUT降低到4.7μF時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

兩個(gè)不同輸出電容值下升壓轉(zhuǎn)換器輸出紋波的LTspice圖。

?圖5。耦合輸出=4.7μF（綠色軌跡）和耦合輸出=47μF（藍(lán)色軌跡）的輸出紋波。

如圖所示，紋波隨著輸出電容的減少而增加。

等效串聯(lián)電阻

我們的模擬電路缺乏我們?cè)趯?shí)際升壓轉(zhuǎn)換器中預(yù)期的非理想性，因此上面的輸出紋波是不切實(shí)際的低。為了了解升壓轉(zhuǎn)換器在實(shí)際生活中的表現(xiàn)，我們需要考慮電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）的作用，該電阻產(chǎn)生紋波電壓，而不依賴于電容量。

我們?cè)谏弦黄恼轮锌吹?，我們的小電感?dǎo)致了更多的電感電流紋波。當(dāng)這個(gè)大ΔIL進(jìn)入輸出電容器時(shí)，它通過(guò)電容器的等效串聯(lián)電阻會(huì)按比例產(chǎn)生大的電壓降。這些電壓降會(huì)導(dǎo)致輸出。

圖6說(shuō)明了具有零等效串聯(lián)電阻（綠色軌跡）的47μF輸出電容和具有10 mΩ等效串聯(lián)電阻（藍(lán)色軌跡）的47μF輸出電容之間的輸出紋波差異。

兩個(gè)不同ESR值下升壓轉(zhuǎn)換器電壓紋波的LTspice圖。

?圖6。耦合=47μF。

輸出電容器的等效串聯(lián)電感也會(huì)影響輸出紋波。這是一個(gè)復(fù)雜的主題，我今天不打算深入討論，但如果你有興趣了解更多，我建議Texas Instruments應(yīng)用程序注釋題為“測(cè)量和理解Boost Converter的輸出電壓紋波”。

二極管電流

今天我們要討論的還有另外一個(gè)輸出組件：二極管。

我們可以從圖7中看到，升壓轉(zhuǎn)換器中的平均二極管電流對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流，就像降壓轉(zhuǎn)換器中的平均電感電流一樣。這并不奇怪：如果我們比較升壓和降壓組件的安排，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)升壓有二極管，降壓有轉(zhuǎn)換器。

顯示升壓轉(zhuǎn)換器二極管電流和負(fù)載電流的LTspice圖。疊加光標(biāo)框顯示平均二極管電流值。

?圖7。圖1中升壓轉(zhuǎn)換器平均二極管電流和負(fù)載電流的比較。

反向恢復(fù)電流

如果您想知道圖6和圖7中的負(fù)向尖峰，那么它們是由在開(kāi)關(guān)閉合之后流過(guò)二極管和開(kāi)關(guān)的電流的快速突發(fā)引起的。您可以在下面的圖8中更清楚地看到這種行為。

升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電壓和二極管電流的LTspice圖。

?圖8。開(kāi)關(guān)電壓（紅色軌跡）和二極管電流（綠色軌跡）。

尖峰電流被報(bào)告為負(fù)，在這個(gè)模擬的上下文中表明它是反向（即陰極到陽(yáng)極）二極管電流。這種電流與被稱為反向恢復(fù)的現(xiàn)象相關(guān)，這種現(xiàn)象發(fā)生在二極管的正向偏置電壓快速轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚱秒妷簳r(shí)。

如上所述，如果在電容器中加入ESR，反向恢復(fù)電流會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生重大影響；電流的突發(fā)向上流過(guò)輸出電容器，并且被帽的電阻轉(zhuǎn)換為負(fù)向尖峰電壓。如果你增加等效串聯(lián)電感，情況會(huì)變得更糟，這會(huì)對(duì)像這樣的尖峰中包含的非常高的頻率產(chǎn)生特別大的阻抗。

如果要從模擬中消除這種尖峰行為，可以使用理想化的二極管，而不是具有真實(shí)SPICE模型的二極管。

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本文結(jié)束了我關(guān)于升壓變換器的系列文章——希望它能夠幫助您更全面地了解這個(gè)重要的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在我的下一系列文章中，我們將繼續(xù)我們的LTspice之旅，通過(guò)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)。