升压型DC-DC转换器的输出纹波电压

前言

降压型DC-DC转换器和升压型DC-DC转换器都是转变输入电压并输出与输入电压不同电压的器件。在转变过程中变化的电感电流会被输出电容器转换为平滑的直流电，但此时并没有变成完全的直流电，而是残留着被称为“纹波电压”的波动电压分量。纹波电压可能会产生噪声，并给电路的正常工作造成不良影响，因此在设计电源时，需要计算出纹波电压的大小。但是，由于降压型DC-DC转换器和升压型DC-DC转换器的工作原理不同，因此，不同的工作条件对所产生的纹波电压大小的影响也大不相同。这就需要了解工作原理的不同对输出电容器平滑滤波后的电流波形所带来的差异，并正确计算纹波电压的大小。

在本系列文章中，将从升压型DC-DC转换器产生的输出纹波电压与输出电容器的容量之间的关系出发，介绍以下两个主题。

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”。

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。

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。

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。

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。

本文第二个主题：“工作条件对升压型DC-DC转换器输出纹波的影响”。

关于升压电源输出纹波电压的波形和大小的依赖性，将分“升压型DC-DC转换器的输出纹波电压波形”、“改变电感值对输出纹波电压的影响”和“输出电流的变化对纹波电压的影响”三部分进行解释说明。

升压型DC-DC转换器的输出纹波电压波形

降压型DC-DC转换器的输出纹波电压波形由于充放电电流以三角波状线性增减而呈圆弧形。对于升压型DC-DC转换器而言，充电电流是梯形的，放电电流是方形恒流状态的。恒流充电产生的电压是三角波状的电压。但是，从充电到放电、以及从放电到充电的转换过程中电流变化速度比降压型要快得多。由于电流的变化速度非常快，电容器的ESL分量中会产生尖峰状的微分电压，高频噪声分量变得非常大。该尖峰状噪声的频率分量是非常高的频率，以输出电容器所用的数十μF级的大容量电容器的频率特性，是无法消除的。要想消除数十MHz频段的高频噪声，需要在最靠近高边开关输出端的位置连接0.1μF以下的高频特性优异的小型小容量陶瓷电容器，以将高频噪声旁路。

改变电感值对输出纹波电压的影响

对于降压转换器而言，提高电感值可以使电感纹波电流减小，从而降低输出电容器的充放电电荷量，最终使输出纹波减小。因此，如果需要低噪声电源，在设计时就需要较大的电感值。对于升压转换器来说，提高电感值也会减小电感纹波电流。这会使对于输出电容器的充电电流脉冲峰值变小，但由于平均电流值不变，因此对电容器充放电的电荷量也不会发生变化。所以，升压转换器即使通过提高电感值来减小电感纹波电流，纹波电压也不会减小，电感值的大小对纹波电压的大小没有影响。当电感值减小时，充电时的电流变化量会变大，使充电时的电压波形呈圆弧状，但在放电时，由于电感电流对纹波电压没有影响，所以电压波形呈随负载电流线性下降的形状。

额定电流相同的电感器，提高电感值会增大电感器的物理尺寸，成本会更高。当负载电流变化时，需要增加或减小电感电流来跟随其变化，但如果纹波电流较小，则电感电流的增减变化速度也会较缓慢，因此对负载电流增减变化的跟随速度也会变慢。考虑到降低成本和负载瞬态响应特性，升压型DC-DC转换器的电感值应该越小越好。

输出电流的变化对纹波电压的影响

接下来我们来了解一下纹波电压对负载电流大小的依赖性。对于降压型DC-DC转换器而言，即使输出电流发生变化，纹波电压也不会变化，但升压型DC-DC转换器则不同，其纹波电压对输出电流的依赖性很强。当负载电流IOUT较大时，充电脉冲峰值也较高，对CO的充放电电流会增加，纹波电压也会变大；但当负载电流IOUT较小时，对CO的充放电电流减少，纹波电压也会变小，在无负载时几乎为0。升压转换器的纹波电压与输出电流几乎成正比地增加或减少，因此需要确认纹波电压的大小在最大负载电流时是否会引起问题。

当负载电流进一步减小变为无负载状态时，输出电容器不再放电，电压不再下降，因此不再需要能量供给，开关工作变为停止状态。由于输出电容器没有充放电，因此电压不会波动，输出纹波电压变为零。实际上，即使在无负载状态下，受流过电压设置电阻等的电流影响，电压也会渐渐下降，因此负载电流有时也会使用开关以恢复下降的电压。此时，低边开关在最短的时间内进行开关动作，以提供最小的能量，提供的电荷量会而导致电压上升，并会跳过下一次开关动作，直到电压下降到一定值的程度。即使在无负载的状态下，该动作也会产生很小的纹波电压。

在轻负载时，开关动作带来的电源电路自身功耗会变得大于输出功率，导致效率变差。为了改善这一点，有些产品具有称为“轻负载模式”的功能，利用该功能，可以切换到工作模式以改善轻负载时的效率。不是在轻负载时以最短导通时间进行开关动作，而是通过延长导通时间以增加1次开关的能量。通过增加对输出电容器的充电量，提高电压上升程度，延长到电压下降时所需的时间，从而延长开关周期。这这样可以大大减少开关次数，从而减少自身功耗，因此可提高轻负载时的效率。但是，需要注意的是，采用这种控制方式时，会因每次开关的充放电量增加而导致纹波电压变大。