降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异

罗姆半导体集团 2024-04-24 1616

描述

首先来介绍第一个主题：“降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异”。

・降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异

・工作条件对升压型DC-DC转换器输出纹波的影响

关于降压型和升压型DC-DC转换器的输出纹波差异，我们将分“降压型DC-DC转换器的输出纹波电压”和“升压型DC-DC转换器的输出纹波电压”两部分进行说明。

降压型DC-DC转换器的输出纹波电压

为了更好地理解升压型DC-DC转换器和降压型DC-DC转换器输出纹波电压之间的差异，我们先来了解一下降压电源的输出纹波电压。

降压型DC-DC转换器会直接输出受纹波电流影响而波动的电感电流，由输出电容器对波动的电流进行平滑滤波。被输出的电流为“直流电流+电感纹波电流”，输出电容器仅对电感纹波电流（即交流分量）进行平滑滤波。输出电容器产生的纹波电压ΔV基本上是通过平滑滤波动作，对输出电容器充放电的电荷量Q库仑带来的电压波动，即ΔV=Q/C。

更准确地讲，波形是根据充放电电流值，电容器的ESR×充放电电流所产生的电压、充放电电流的电流变化和ESL分量的微分电压的总和，在这里我们仅按照基于对电容器充放电电荷量Q库仑产生的电压进行说明。

二极管

流过电感的电流为“直流分量+纹波电流（P-P值）”。纹波电流在高边开关导通时间内会增加，在低边开关导通时间内会减少，增加和减少的电流的平均值即为直流输出电流。当超过平均值时向输出电容器充电，当低于平均值时则对输出电容器放电。

因此，充电从高边开关导通时间的中央开始，在低边开关导通时间的中央结束，然后从这个时间点开始放电，并在高边开关导通时间的中央结束。充放电电流从0开始，呈线性增减，并形成线性增减的三角形。这种充放电电流用电容器积分得到的电压呈图中所示的圆弧形，即输出电容器产生的纹波电压。

由于V=Q/C，所以产生的纹波电压大小取决于电荷量和电容量，与纹波电流的大小成正比，与输出电容器的电容量成反比。纹波电流的大小是根据输入输出电压、开关频率和电感值计算出来的，通常设计时是按照最大输出电流值的30%左右进行设计的。即使输出电流值增加或减少，降压型DC-DC转换器的电感纹波电流值也不会改变，因此无论输出电流值如何，输出电容器产生的纹波电压都会保持恒定值。

但是，在轻负载期间（比如当输出电流小于纹波电流值的一半时），具有旨在改善二极管整流时和轻负载时效率的轻负载模式的产品，充放电电荷量可能会受导通时间控制或间歇开关工作等因素的影响而变化，纹波电压也可能会发生变化。

升压型DC-DC转换器的输出纹波电压

在升压型DC-DC转换器中，会反复执行通过在低边开关导通时电感电流增加来积蓄能量、以及在高边开关导通时释放能量来减少电感电流的动作。仅在高边开关导通期间，电流才会供给输出电容器，因此，供给的电流是间歇性的脉冲状充电电流。

二极管

在图例中，假设是效率为100%的理想电源，要将电压从2V提高到10V1A，需要5A的输入电流。由于电压提高了5倍，因此低边开关的导通时间变为80%，高边开关的导通时间变为20%。

在电感器中连续流过平均5A的电流。在高边开关导通的20%时间内，平均供电电流为5A，负载电流为1A，因此(5A-1A)=4A的充电电流会使输出电容器的电压上升，低边开关导通，电感器储能时没有电流供给，所以从输出电容器放电1A，该放电电流会导致电压下降。对输出电容器的充电和放电，导致输出电压中产生纹波电压。

二极管

当负载电流恒定时，根据Q=I×T，充放电的电荷量Q相同，纹波电压ΔV=Q/Co，因此输出电容器Co的容量越大，纹波电压越小。

对于降压型DC-DC转换器而言，输出纹波电压中只有电感纹波电流引起的电流波动量被平滑滤波；而对于升压型DC-DC转换器而言，由于需要对输出的脉冲状供电电流进行平滑滤波，因此，要平滑滤波的电荷量也较大，同等程度的纹波电压需要使用更大容量的输出电容器。

使用大容量多层陶瓷电容器作为输出电容器时，需要注意的是：多层陶瓷电容器具有直流偏置特性，也就是当施加高电压时，其实际有效电容量会减小。对于降压型转换器来说，输出电压通常较低，因此电容量减少在大多数情况下不会引发问题。

然而对于升压转换器来说，其输出电压通常较高，并且在施加高电压时，其有效电容量可能会大大减少，甚至只有标称容量的几分之一。有效电容量的大幅减少，不仅会产生数倍于设计值的纹波电压，还可能会因输出容量不足而产生瞬态响应特性和负反馈控制安全性方面的问题，因此必须对实际有效的电容量进行确认。

审核编辑：刘清

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