防止開關(guān)轉(zhuǎn)換器中因輸出浪涌引起的啟動問題

在穩(wěn)態(tài)條件下，平均電流（I外軌）必須等于輸出電流，因為電容器上的平均電流為零。對于降壓拓?fù)?，IL-AVE= I外.但是，對于升壓和反相降壓-升壓拓?fù)?，ID-AVE= I外.

對于升壓和反相降壓-升壓拓?fù)?，電流僅在關(guān)斷期間流過二極管。因此，我D-AVE= IL-AVE在開關(guān)關(guān)閉期間。參考圖7，得出平均電感電流相對于輸出電流。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和開關(guān)占空比D.根據(jù)公式，當(dāng)輸入電壓處于最小值時，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。對于任何開關(guān)拓?fù)?，電感電流紋波量（?IL）可以根據(jù)理想電感公式2推導(dǎo)出來。

圖8.電感電流的“擺動”。

在電感電流呈三角形并表現(xiàn)出恒定變化率的開關(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。

開關(guān)導(dǎo)通時間很容易與占空比和開關(guān)頻率相關(guān)聯(lián)，如公式4所示。因此，在開關(guān)開啟期間使用伏秒乘積比在后續(xù)公式中使用開關(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 t上，基于等式 3，替換為等式 4，項 VL-開啟根據(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點?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。它指出電流流過電容器與電容器兩端的電壓變化率相對應(yīng)。

在為開關(guān)轉(zhuǎn)換器選擇輸出電容值時，應(yīng)考慮電容充電電流。啟動時，假設(shè)電容器電壓等于零或沒有電容器電荷，輸出電容器將開始充電并根據(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)。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器中輸出電壓的上升是一個具有恒定斜率的受控斜坡，因此可以簡化變化率方程，如公式7所示。輸出電壓的變化（?V）對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)時的輸出電壓，?t對應(yīng)于啟動期間輸出達(dá)到其最終值所需的時間，或者通常所說的軟啟動時間。

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

圖9.輸出電容浪涌電流。

啟動時的電感電流峰值

一個簡單的升壓轉(zhuǎn)換器電路如圖10所示。當(dāng)晶體管開關(guān)處于閉合開關(guān)狀態(tài)時，電流流過電感器，而沒有電流流過輸出軌。它是C的放電階段外其中放電電流（I帽） 進(jìn)入輸出，而沒有一個通過反向偏置二極管。當(dāng)晶體管的開路開關(guān)關(guān)閉時，電流ID流過二極管。

圖 10.升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器電路。

根據(jù)基爾霍夫電流定律，電流通過輸出軌（ID） 必須等于流過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。

該公式適用于每個充電階段或電容器兩端電壓上升時。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，它也適用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器啟動期間。

啟動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.啟動期間的電感電流峰值方程總結(jié)于表3。

對于三種拓?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)計在滿載條件下。

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＿@可以通過圖 11 更好地理解。對于降壓轉(zhuǎn)換器，隨著輸入電壓的上升，交流元件電壓也會上升。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.電感電流相對于輸入電壓。

對于升壓和降壓-升壓逆變器，隨著輸入電壓的上升，交流元件電壓上升，但直流元件電壓會下降，因為占空比對平均電流的影響，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，輸出端電容過大會導(dǎo)致高浪涌電流，這可能導(dǎo)致電感電流峰值在啟動期間達(dá)到限流閾值。因此，適量的電容對于實現(xiàn)最小的輸出電壓紋波，同時保持良好的轉(zhuǎn)換器啟動性能是必要的。

對于降壓轉(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。

請注意，這些方程忽略了寄生元件對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LC濾波器

在某些情況下，輸出電壓上會出現(xiàn)開關(guān)瞬變，如圖12所示。如果幅度很大，則輸出負(fù)載就會成為問題。開關(guān)尖峰主要是由輸出軌上電流的開關(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)換器的開關(guān)頻率，因此僅靠輸出濾波電容無法降低峰峰值紋波，需要額外的濾波。

圖 12.具有開關(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關(guān)動作，藍(lán)色跡線表示，輸出電壓紋波表示黃色跡線。在電感電流的開關(guān)轉(zhuǎn)換時，紋波電壓內(nèi)觀察到高頻瞬變。

Kevin Tompsett的《為開關(guān)電源設(shè)計第二級輸出濾波器》是一篇關(guān)于 analog.com 的精彩文章，它提供了有關(guān)如何通過二級LC濾波降低高頻瞬變的更多見解。

紋波測量

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

Aldrick Limjoco編寫的題為“測量開關(guān)穩(wěn)壓器中的輸出紋波和開關(guān)瞬變”的應(yīng)用筆記應(yīng)該會有所幫助。

軟啟動功能

對于升壓和反相降壓-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也對此進(jìn)行了說明。這意味著必須顯著降低輸出電容器的浪涌電流。它是通過增加軟啟動時間（t黨衛(wèi)軍） 在等式 7 中。

圖 13.電感電流與軟啟動時間的關(guān)系

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

提高開關(guān)頻率

圖14顯示了改變開關(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流保護(hù)。一些客戶忘記考慮在輸出端放置過多電容的權(quán)衡，特別是在高占空比工作條件或最小輸入電壓下。這通常會導(dǎo)致反相輸出端的啟動問題，因為反相降壓-升壓穩(wěn)壓器設(shè)計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，以避免啟動問題。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)計限制外使用公式9或公式10的紋波性能。

兩個圖都是根據(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。換句話說，這些圖中的數(shù)字肯定會在幅度上增加，如果 t黨衛(wèi)軍都增加了。

圖 15.最大 C外相對于最大負(fù)載電流。

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

計算數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)

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

圖 16.啟動時的電感電流和感應(yīng)電壓。

圖 17.電感電流：計算與測量。

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，并且有啟動問題的趨勢。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)計開關(guān)轉(zhuǎn)換器時，仔細(xì)設(shè)計輸出濾波電容非常重要。充分了解啟動期間影響電感峰值電流的因素有助于避免啟動問題。升壓和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器更容易出現(xiàn)這些問題，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)計輸出電容時，它將被證明是有用的，同時跟蹤電感峰值電流相對于限流閾值。在相同的輸出條件下，可以通過增加軟啟動時間或轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率來最小化輸出浪涌電流。

審核編輯：郭婷