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电源中的升压转换器电源IC波形

关键要点

降压和升压转换器波形由于电源IC转换器中的开关作用而始终包含一些纹波和噪声。

就像降压转换器一样,升压转换器可以在连续或不连续模式下工作。

一旦转换器进入不连续模式,波形就会从典型的纹波形状变为电感电流为零且可能具有强瞬变的波形。

 

电源IC测试

 

可调直流电源通常与开关转换器一起工作,该转换器提供一些稳定的输出电压和明显的纹波。如果要将开关转换器集成到PCB中,则输出将包含一些开关噪声。电源中有几个部分很难在板载升压转换器中实现,当在示波器上观察波形时,输出中的噪声可能非常强。

升压转换器波形包括两个分量:标称(平均)直流输出和开关波形产生的噪声,该噪声表现为标称直流值周围的纹波。这是升压转换器在连续模式下输出电压/电流的基本形式。还有一种不连续模式需要考虑,其中转换器由于占空比和R/L上升速率不足而失去稳压。借助合适的仿真工具集,设计人员可以从升压转换器波形仿真中识别工作模式,并试验确保稳定供电的元件值。

 

升压转换器波形

升压转换器的输出波形取决于转换器的工作模式。任何开关稳压器都有两种可能的工作模式:连续和不连续工作模式。每种模式下的升压转换器波形将有所不同,可以通过查看电感电流完全识别。查看输出电流时要小心,因为当存在无功(高容性)元件时,复杂的负载网络可能会有一些补偿。

如果对稳压器电路执行瞬态分析仿真,或者从示波器收集测量值,您将能够识别转换器的工作模式。

 

连续导通模式

连续导通模式是任何开关稳压器最简单的工作模式。在这种模式下,电感中的电流以及输出电流在开关过程中永远不会降至零。尽管它在切换过程中会表现出一些振荡。发生这种情况是因为当开关元件激活时转换器的上升/下降时间非常长,因此放电电容器可以维持输出电流。这可以被视为一种伪稳态工作模式,并增加了一些噪声。该噪声的RMS测量或功率谱测量可用于确定产生稳定直流功率所需的滤波水平。

连续导通模式

在连续导通模式下工作时,提升关键组件中的转换器波形

 

上述一组图表中最重要的波形是第二波形(电感电流)。在这个波形中,我们可以清楚地看到标称电流上存在的纹波。输出电压和电流波形与此类似,具体取决于负载网络中的无功阻抗水平。

然后通过调整PWM驱动器的占空比来调制传送到负载的功率,这也将修改波形。例如,通过降低占空比(D),电流波形的上升时间将更短,而(1 - D)间隔期间的下降时间将增加。如果占空比太低,无法达到所需的调节水平,电感电流波形最终将降至零,转换器将以不连续的导通模式工作。

 

不连续导通模式

一旦进入不连续导通模式,波形将是一个不连续函数,并且将具有输出电流为零的周期。这可以用一个大输出电容来平滑,但纹波可能大得令人无法接受,并且设计将具有低功率因数。此外,这些设计往往在电感波形的下降沿上表现出一些瞬态振铃,因为系统不再被周期性驱动,从而导致输出电流波形上出现较大的欠阻尼振荡。

通常,由于占空比突然变得太短,因此不会进入此状态。比较这些模式的正确方法是将纹波电流与标称输入电流进行比较。

不连续导通模式

连续导通模式 (CCM) 和不连续导通模式 (DCM) 下的纹波电流调节

 

这也是由于设计中的意外错误而发生的,电感器太小,因此转换器中的下降时间对于给定的占空比来说太短。当电路设计人员犯这个错误时,他们往往会发现,仅仅通过增加占空比就没有办法重新进入连续导通模式。电感器中的下降时间太短。此外,增加占空比会改变输出电压,并且可能无法达到所需的输出。

有四种可能的解决方案可使设计恢复到连续导通模式,而无需改变占空比:

  • 使用较大的电感器(意味着电感较大,不一定物理上更大);这具有直接降低输出电压纹波的额外好处。
  • 使用较大的电容再次减缓电感电流波形的上升时间;这具有提供额外的噪声滤波的额外好处。
  • 在滤波电容上增加非常少量的电阻,以减慢上升时间。在某些情况下,这可能小到几欧姆。
  • 增加开关频率,因此,尽管在不连续升压转换器波形中具有较长的关断时间,但开关将更频繁地发生。
  • 在具有薄型或小尺寸的设计中,第 1 点和第 2 点可能令人望而却步。有趣的是,第4点可以消除对第1点和第2点的需求,这是现代数字和无线系统的电源设计以高kHz或MHz开关频率运行的众多原因之一,而更简单的直流设计继续在低(~100 kHz)频率下运行。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-14 16:56