在穩(wěn)態(tài)條件下，平均電流（I外軌）必須等于輸出電流，因?yàn)殡娙萜魃系钠骄娏鳛榱恪?duì)于降壓拓?fù)洌琁L-AVE= I外.但是，對(duì)于升壓和反相降壓-升壓拓?fù)洌琁D-AVE= I外.

對(duì)于升壓和反相降壓-升壓拓?fù)洌娏鲀H在關(guān)斷期間流過(guò)二極管。因此，我D-AVE= IL-AVE在開(kāi)關(guān)關(guān)閉期間。參考圖7，得出平均電感電流相對(duì)于輸出電流。關(guān)斷期間綠色的矩形區(qū)域是平均二極管電流ID-AVE，高度等于 IL-AVE，寬度等于 T關(guān)閉.該電流全部進(jìn)入輸出端，因此可以轉(zhuǎn)換為平均寬度為T(mén)且高度為I的矩形區(qū)域外.

圖7.升壓或降壓-升壓逆變器的二極管電流。

表1顯示了平均電感電流I的摘要L-AVE和開(kāi)關(guān)占空比D.根據(jù)公式，當(dāng)輸入電壓處于最小值時(shí)，電感電流將達(dá)到最大值，從而提供最大占空比，并且輸出電流處于最大值。

電感電流峰值

圖8顯示了降壓-升壓逆變器在連續(xù)導(dǎo)通工作模式下穩(wěn)態(tài)條件下的電感電壓和電流波形。對(duì)于任何開(kāi)關(guān)拓?fù)洌姼须娏骷y波量（?IL）可以根據(jù)理想電感公式2推導(dǎo)出來(lái)。

圖8.電感電流的“擺動(dòng)”。

在電感電流呈三角形并表現(xiàn)出恒定變化率的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，因此具有恒定的感應(yīng)電壓，（?IL/?t）可用于電感方程，如重新排列的公式3所示。電感器電流紋波由施加到電感器和電感的電壓秒決定。

開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間很容易與占空比和開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)聯(lián)，如公式4所示。因此，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟期間使用伏秒乘積比在后續(xù)公式中使用開(kāi)關(guān)關(guān)閉更方便。

表2匯總了三種不同拓?fù)渲械碾姼须娏骷y波。伏秒乘積項(xiàng) t上，基于等式 3，替換為等式 4，項(xiàng) VL-開(kāi)啟根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由電感兩端的感應(yīng)電壓代替。

回顧圖8中的穩(wěn)態(tài)電感電流，可以觀察到電感電流平均值僅位于斜坡的幾何中心或波形擺動(dòng)點(diǎn)?IL/2.因此，電感電流峰值是電感電流平均值和電感電流紋波的一半之和，如公式5所示。

電容器浪涌電流

電容器的充電電流或位移電流方程在公式6中定義。它指出電流流過(guò)電容器與電容器兩端的電壓變化率相對(duì)應(yīng)。

在為開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器選擇輸出電容值時(shí)，應(yīng)考慮電容充電電流。啟動(dòng)時(shí)，假設(shè)電容器電壓等于零或沒(méi)有電容器電荷，輸出電容器將開(kāi)始充電并根據(jù)總電容和電容器電壓的變化率吸收盡可能多的電流，直到電容器電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中輸出電壓的上升是一個(gè)具有恒定斜率的受控斜坡，因此可以簡(jiǎn)化變化率方程，如公式7所示。輸出電壓的變化（?V）對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出電壓，?t對(duì)應(yīng)于啟動(dòng)期間輸出達(dá)到其最終值所需的時(shí)間，或者通常所說(shuō)的軟啟動(dòng)時(shí)間。

如果輸出電容過(guò)多（C外）或者如果軟啟動(dòng)時(shí)間較短，則要求穩(wěn)壓器I的電流帽可能太高，這可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器操作出現(xiàn)問(wèn)題。這種大量的電流脈沖稱(chēng)為浪涌電流。圖9顯示了輸出為15 V、10 μF輸出電容和4 ms軟啟動(dòng)時(shí)間的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)期間的電容浪涌電流和輸出電壓。

圖9.輸出電容浪涌電流。

啟動(dòng)時(shí)的電感電流峰值

一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器電路如圖10所示。當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)處于閉合開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，電流流過(guò)電感器，而沒(méi)有電流流過(guò)輸出軌。它是C的放電階段外其中放電電流（I帽） 進(jìn)入輸出，而沒(méi)有一個(gè)通過(guò)反向偏置二極管。當(dāng)晶體管的開(kāi)路開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電流ID流過(guò)二極管。

圖 10.升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器電路。

根據(jù)基爾霍夫電流定律，電流通過(guò)輸出軌（ID） 必須等于流過(guò)輸出電容器的電流之和 （I帽）和輸出負(fù)載（I外).這由公式8描述。

該公式適用于每個(gè)充電階段或電容器兩端電壓上升時(shí)。因此，當(dāng)輸出電容器的初始狀態(tài)放電或輸出電壓尚未處于穩(wěn)態(tài)值時(shí)，它也適用于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)期間。

啟動(dòng)期間的電感電流峰值可以使用公式5定義，包括輸出電容引起的浪涌電流的影響。公式 8 將應(yīng)用于 IL-AVE表 1 中的公式，替換 I外與我外+ 我帽.啟動(dòng)期間的電感電流峰值方程總結(jié)于表3。

對(duì)于三種拓?fù)渲械娜魏我环N，電感電流峰值與I 成正比外.在輸出電流方面，輸出電容必須設(shè)計(jì)在滿(mǎn)載條件下。

大多數(shù)應(yīng)用要求在輸入電壓范圍內(nèi)工作。因此，相對(duì)于輸入電壓，降壓與其他兩種拓?fù)湓陔姼须娏鞯闹绷骱徒涣鞣至侩妷捍笮》矫娲嬖诓町悺＿@可以通過(guò)圖 11 更好地理解。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，隨著輸入電壓的上升，交流元件電壓也會(huì)上升。平均電流等于輸出電流，因此直流分量電壓保持恒定。因此，電感電流峰值在最大輸入電壓下最大。

圖 11.電感電流相對(duì)于輸入電壓。

對(duì)于升壓和降壓-升壓逆變器，隨著輸入電壓的上升，交流元件電壓上升，但直流元件電壓會(huì)下降，因?yàn)檎伎毡葘?duì)平均電流的影響，如表1所示。直流分量電壓占主導(dǎo)地位，因此電感峰值電流在最小輸入電壓下處于其最大額定值。在輸入電壓方面，輸出電容的設(shè)計(jì)必須在降壓的最大輸入電壓和升壓和降壓-升壓逆變器的最小輸入電壓下進(jìn)行。

減輕浪涌的影響

輸出電容濾波器

如前幾節(jié)所示，輸出端電容過(guò)大會(huì)導(dǎo)致高浪涌電流，這可能導(dǎo)致電感電流峰值在啟動(dòng)期間達(dá)到限流閾值。因此，適量的電容對(duì)于實(shí)現(xiàn)最小的輸出電壓紋波，同時(shí)保持良好的轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)性能是必要的。

對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，C之間的關(guān)系外峰峰值電壓紋波由公式9定義。

對(duì)于升壓和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，C之間的關(guān)系外峰峰值紋波由公式10定義。

請(qǐng)注意，這些方程忽略了寄生元件對(duì)電容器和電感器的影響。這些符合轉(zhuǎn)換器的額定規(guī)格，可以幫助設(shè)計(jì)人員限制添加到輸出端的電容器。濾波電平和輸出浪涌電流的良好平衡是關(guān)鍵考慮因素。

第二級(jí)LC濾波器

在某些情況下，輸出電壓上會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)瞬變，如圖12所示。如果幅度很大，則輸出負(fù)載就會(huì)成為問(wèn)題。開(kāi)關(guān)尖峰主要是由輸出軌上電流的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換引起的，輸出軌是升壓和降壓-升壓逆變器的二極管電流。由于PCB銅跡線(xiàn)上的雜散電感，它們可以被放大。由于尖峰的頻率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，因此僅靠輸出濾波電容無(wú)法降低峰峰值紋波，需要額外的濾波。

圖 12.具有開(kāi)關(guān)瞬變的輸出電壓紋波。

圖12顯示了升壓轉(zhuǎn)換器中電感的周期性開(kāi)關(guān)動(dòng)作，藍(lán)色跡線(xiàn)表示，輸出電壓紋波表示黃色跡線(xiàn)。在電感電流的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，紋波電壓內(nèi)觀察到高頻瞬變。

Kevin Tompsett的《為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第二級(jí)輸出濾波器》是一篇關(guān)于 analog.com 的精彩文章，它提供了有關(guān)如何通過(guò)二級(jí)LC濾波降低高頻瞬變的更多見(jiàn)解。

紋波測(cè)量

在獲得輸出電壓紋波時(shí)，正確的測(cè)量方法也很重要。不正確的測(cè)量設(shè)置可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的高壓紋波讀數(shù)，可能導(dǎo)致輸出電容器的過(guò)度設(shè)計(jì)。很容易犯這樣的錯(cuò)誤：在輸出端放置過(guò)多的電容，以期減少電壓紋波，而沒(méi)有意識(shí)到權(quán)衡。

Aldrick Limjoco編寫(xiě)的題為“測(cè)量開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變”的應(yīng)用筆記應(yīng)該會(huì)有所幫助。

軟啟動(dòng)功能

對(duì)于升壓和反相降壓-升壓，電感電流的直流分量電壓的增加決定了更大的影響。在較低的輸入電壓下，占空比的增加會(huì)導(dǎo)致電感平均電流大幅增加，如表3公式中的（1-D）因子所示，圖11也對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。這意味著必須顯著降低輸出電容器的浪涌電流。它是通過(guò)增加軟啟動(dòng)時(shí)間（t黨衛(wèi)軍） 在等式 7 中。

圖 13.電感電流與軟啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系

大多數(shù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（t黨衛(wèi)軍）具有軟啟動(dòng)功能，該功能是指其能力，以便設(shè)計(jì)人員可以選擇在啟動(dòng)期間調(diào)整輸出電壓的上升時(shí)間。改變單個(gè)電阻的值通常是調(diào)整軟啟動(dòng)時(shí)間的便捷方法。圖13顯示了降壓-升壓逆變器的啟動(dòng)波形。通過(guò)軟啟動(dòng)時(shí)間從4 ms更改為16 ms，電感電流峰值顯著降低25%。

提高開(kāi)關(guān)頻率

圖14顯示了改變開(kāi)關(guān)頻率（f西 南部).假設(shè)占空比D和輸出電流是恒定的，則交流分量電壓或電感電流?I。L/2受 f 變化的影響西 南部，而直流分量電壓則不是。因此，電感電流峰值成反比，在較高的開(kāi)關(guān)頻率下較低。

圖 14.影響電感電流峰值的因素

ADP5070：示例

輸出電容可以有多大？

ADP5070是一款單芯片、雙升壓和反相降壓-升壓穩(wěn)壓器，采用打嗝模式限流方案作為過(guò)流保護(hù)。一些客戶(hù)忘記考慮在輸出端放置過(guò)多電容的權(quán)衡，特別是在高占空比工作條件或最小輸入電壓下。這通常會(huì)導(dǎo)致反相輸出端的啟動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)榉聪嘟祲?升壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的限流閾值低于升壓穩(wěn)壓器。

圖15可幫助應(yīng)用工程師了解ADP5070輸出端允許的電容大小，以避免啟動(dòng)問(wèn)題。最大 C外顯示與.max I外在不同的輸入和輸出電壓組合上，使用電感峰值電流與輸出電流的直接關(guān)系，包括表3公式中的浪涌。在考慮最佳V后，這將有助于輸出電容器值的設(shè)計(jì)限制外使用公式9或公式10的紋波性能。

兩個(gè)圖都是根據(jù)最短的t黨衛(wèi)軍以及穩(wěn)壓器的限流閾值。選擇的外部元件具有比穩(wěn)壓器高得多的電流處理能力。換句話(huà)說(shuō)，這些圖中的數(shù)字肯定會(huì)在幅度上增加，如果 t黨衛(wèi)軍都增加了。

圖 15.最大 C外相對(duì)于最大負(fù)載電流。

對(duì)于需要更高輸出負(fù)載電流的應(yīng)用，應(yīng)考慮ADP5071。ADP5071設(shè)計(jì)了比ADP5070更高的限流門(mén)限，適用于升壓和反相降壓-升壓穩(wěn)壓器。

計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)

圖16顯示了反相穩(wěn)壓器的電感感應(yīng)電壓和電流的啟動(dòng)波形，而圖17中的數(shù)據(jù)顯示了使用表3中的公式計(jì)算得出的電感電流數(shù)據(jù)和測(cè)量臺(tái)數(shù)據(jù)。

圖 16.啟動(dòng)時(shí)的電感電流和感應(yīng)電壓。

圖 17.電感電流：計(jì)算與測(cè)量。

數(shù)據(jù)證明，如果黨衛(wèi)軍增加，從而降低電感峰值電流。在 4 毫秒 t 時(shí)黨衛(wèi)軍，反相穩(wěn)壓器已經(jīng)達(dá)到0.6 A的限流閾值，并且有啟動(dòng)問(wèn)題的趨勢(shì)。補(bǔ)救措施是增加黨衛(wèi)軍至16 ms，以提供足夠的電感峰值電流裕量。

結(jié)論

本文表明，在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)，仔細(xì)設(shè)計(jì)輸出濾波電容非常重要。充分了解啟動(dòng)期間影響電感峰值電流的因素有助于避免啟動(dòng)問(wèn)題。升壓和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器更容易出現(xiàn)這些問(wèn)題，尤其是那些使用打嗝模式限流方案的轉(zhuǎn)換器。

提供了電感峰值電流與輸出浪涌電流之間的直接關(guān)系。在設(shè)計(jì)輸出電容時(shí)，它將被證明是有用的，同時(shí)跟蹤電感峰值電流相對(duì)于限流閾值。在相同的輸出條件下，可以通過(guò)增加軟啟動(dòng)時(shí)間或轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率來(lái)最小化輸出浪涌電流。

審核編輯：郭婷