使用峰值電流模式控制器設(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器

本應(yīng)用筆記介紹如何使用MAX17597和MAX17498B/C峰值電流模式控制器設(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器可在非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 或連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 下工作。工作模式會(huì)影響組件選擇、功率器件中的應(yīng)力水平和控制器設(shè)計(jì)。給出了用于計(jì)算組件值和額定值的公式。

升壓轉(zhuǎn)換器

典型的升壓轉(zhuǎn)換器電路原理圖分別圍繞MAX17597和MAX17498B/MAX17498C峰值電流模式控制器構(gòu)建，如圖1和圖2所示。輸入電容器 C1 和 C2，電感器 L在MOSFET N1（MAX17498B/C內(nèi)部）、二極管D1和輸出電容C8構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換的主要元件。C3 決定軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間。C4 解耦 V.DRV或 V抄送輸出電壓（由內(nèi)部穩(wěn)壓器設(shè)定為 4.9V）。R1對(duì)斜率補(bǔ)償進(jìn)行編程，這對(duì)于在峰值電流控制方案中提供內(nèi)部穩(wěn)定性是必要的。R2和R3構(gòu)成輸出電壓反饋的分壓器。網(wǎng)絡(luò)R4、C5、C6構(gòu)成閉環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)R5、R6、R7設(shè)置輸入使能和過(guò)壓門(mén)限電平。R8設(shè)置MAX17597的開(kāi)關(guān)頻率。MAX17498B的開(kāi)關(guān)頻率為500kHz，MAX17498C的開(kāi)關(guān)頻率為250kHz。R.CS檢測(cè) MOSFET N1 中 MAX17597 和 R 中的電流.csMAX0B/C和濾波器元件R5和C17498為檢測(cè)電流信號(hào)提供前沿濾波，MAX9B/C不需要。林是MAX17498B/C所需的限流電阻。好和 C裁判PGOOD信號(hào)和基準(zhǔn)電壓分別需要元件。

圖1.MAX17597的典型應(yīng)用電路

圖2.MAX17498B/C的典型應(yīng)用電路

DCM 加速

在DCM升壓轉(zhuǎn)換器中，電感電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)恢復(fù)為零。主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間存儲(chǔ)的能量（MAX1為MOSFET N17597）在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完全耗盡。

電感器選擇

設(shè)計(jì)過(guò)程從計(jì)算升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電感（L在），使其在所有工作輸入電壓和負(fù)載電流條件下均在 DCM 中運(yùn)行。維持DCM操作所需的臨界電感計(jì)算如下：

LIN ≤ [((VOUT - VINMIN) × VINMIN2) × η]/(2 × IOUT × VOUT2 × fSW) henry

其中VINMIN為最小輸入電壓，VOUT為所需輸出電壓，IOUT為負(fù)載電流規(guī)格，fSW為MAX17597選擇開(kāi)關(guān)頻率，fSW為MAX17498C選擇開(kāi)關(guān)頻率，fSW = 250kHz為MAX17498B選擇開(kāi)關(guān)頻率。根據(jù)規(guī)格，η的預(yù)期效率在 70% 到 95% 的范圍內(nèi)。實(shí)際LIN的選擇應(yīng)考慮公差和飽和效應(yīng)。

峰值電流限制

為了設(shè)置電流限值，電感中的峰值電流可以計(jì)算為：

單位：安培

以 MOSFET N1 為單位的電流限制值設(shè)置為：

ILIM = IPK × 1.2 in amperes

對(duì)于MAX17597，檢流電阻（R.CS），連接在 MOSFET N1 和 PGND 的源極之間，設(shè)置峰值電流限值。限流比較器具有電壓跳變電平 （VCS-峰值） 的 300mV。使用以下公式計(jì)算最大值RCS:

R.CS= （300mV/I林)Ω

對(duì)于MAX17498B/C，RLIM設(shè)置電流限制值，其最小值為：

RLIM = ILIM × 50 kΩ（注意，MAX17498B/C的最壞情況ILIM為1.62A）

輸出電容器選擇

輸出電容（C8）的計(jì)算公式如下：

COUT = 1/2 × (ISTEP × TRESPONSE)/ΔVOUT in farads

其中TRESPONSE = (0.33/FC + 1/FSW)是控制器的響應(yīng)時(shí)間。

我步是升壓轉(zhuǎn)換器輸出端的預(yù)期負(fù)載階躍，ΔV外是預(yù)期負(fù)載階躍的允許輸出電壓偏差，fC是目標(biāo)閉環(huán)交越頻率。fC選擇開(kāi)關(guān)頻率 f 的 1/10 量級(jí)西 南部.對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，輸出電容在主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)提供負(fù)載電流，因此輸出電壓紋波是占空比和負(fù)載電流的函數(shù)。使用以下公式計(jì)算穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波：

ΔVOUT = (IOUT × LIN × IPK)/(VINMIN × COUT) in volts

輸入電容選擇

所需的最小輸入陶瓷電容器（C2）可以根據(jù)輸入直流總線上允許的紋波計(jì)算得出。

CIN = IPK/(ΔVIN × FSW× 8)

其中 ΔV在是輸入直流母線上允許的紋波電壓。

實(shí)際上，提供電解電容器（C1）來(lái)去耦輸入電纜形成的任何源極電感。電解電容器C1也可以用作儲(chǔ)能元件，可以在輸入電源發(fā)生故障時(shí)供電。

電容器值隨溫度和施加電壓而變化。請(qǐng)參閱電容器數(shù)據(jù)手冊(cè)，選擇能夠保證所需 C 的電容器在和 C外整個(gè)工作范圍內(nèi)的值。使用基于溫度范圍和施加電壓的最差情況下的電容降額值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。

誤差放大器補(bǔ)償設(shè)計(jì)

誤差放大器的環(huán)路補(bǔ)償值計(jì)算如下（對(duì)于R4、C5和C6）：

其中

mS為編程斜率（MAX50的默認(rèn)最小斜率= 17597mV/μs，MAX60B/C為17498mV/μs），mP= V英明/L × R.CS（R.csMAX0B/C時(shí)為5.17498Ω）。

C5 = 1/(2π × fP × R4)

C6 = 1/(π × fSW × R4)

斜率補(bǔ)償

理論上，DCM升壓轉(zhuǎn)換器不需要斜率補(bǔ)償即可穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器需要最小的斜率，以便在非常輕的負(fù)載下具有良好的抗噪性。MAX17597的最小斜率通過(guò)允許SLOPE引腳浮動(dòng)來(lái)設(shè)置。當(dāng)SLOPE引腳懸空時(shí)，MAX50的最小斜率補(bǔ)償斜坡設(shè)置為17597mV/μs，MAX60B/C的最小斜率補(bǔ)償斜坡設(shè)置為17498mV/μs。

輸出二極管選擇

理想情況下，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出二極管（圖1的D1）的額定電壓等于輸出電壓。實(shí)際上，電路布局和元件中的寄生電感和電容在二極管關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間相互作用產(chǎn)生電壓過(guò)沖，這發(fā)生在主開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)。因此，二極管額定電壓的選擇應(yīng)具有必要的裕量，以適應(yīng)額外的電壓應(yīng)力。額定電壓為 1.3 × V外在大多數(shù)情況下提供必要的設(shè)計(jì)裕量。

選擇輸出二極管的額定電流是為了最大限度地降低元件中的功率損耗。平均功率損耗由正向壓降和平均二極管電流的乘積給出。最小化二極管峰值電流水平（IPK） 在元件中提供最小的耗散。選擇在I處具有最小壓降的二極管PK.選擇恢復(fù)時(shí)間小于50ns的快速恢復(fù)二極管或低結(jié)電容的肖特基二極管。

場(chǎng)效應(yīng)管有效值電流計(jì)算

理想情況下，MOSFET N1 上的電壓應(yīng)力等于輸出電壓和輸出二極管正向壓降之和。實(shí)際上，由于N1關(guān)斷期間電路寄生元件的作用，會(huì)發(fā)生電壓過(guò)沖和振鈴。MOSFET 額定電壓的選擇應(yīng)具有必要的裕量，以適應(yīng)這種額外的電壓應(yīng)力。額定電壓為 1.3 × V外在大多數(shù)實(shí)際情況下提供必要的設(shè)計(jì)裕量。MOSFET 中的 RMS 電流可用于估算導(dǎo)通損耗，公式為：

其中IPK是在最低工作輸入電壓VINMIN下計(jì)算的峰值電流。

MAX17498B/C具有內(nèi)部MOSFET，內(nèi)部MOSFET的RMS電流可以使用上述公式計(jì)算。

CCM 加速

在CCM升壓轉(zhuǎn)換器中，電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)不會(huì)恢復(fù)到零。由于MAX17597和MAX17498B/C采用異步升壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)負(fù)載電流低于臨界值時(shí)，電感電流將進(jìn)入DCM工作，相當(dāng)于電感電流峰峰值紋波的一半。

電感器選擇

CCM升壓的設(shè)計(jì)過(guò)程從計(jì)算升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電感開(kāi)始于最小輸入電壓。電感紋波電流 （LIR） 可在最大輸入電流的 30% 至 60% 之間進(jìn)行選擇。

LIN = (VINMIN × DMAX × (1 - DMAX))/(LIR × IOUT × FSW)

其中 LIR 是所選的電感紋波比（以每單位表示），D.MAX，占空比計(jì)算公式為：

DMAX = (VOUT + VD - VINMIN)/(VOUT + VD)

VD是升壓轉(zhuǎn)換器輸出二極管在最大輸出電流下的壓降。

峰值/有效值電流計(jì)算

為了設(shè)置電流限值，電感器和MOSFET中的峰值電流可以計(jì)算如下：

IPK = [(VOUT × DMAX × (1 - DMAX))/(LIN × FSW) + (IOUT/(1 - DMAX))] for DMAX < 0.5

對(duì)于 DMAX ≥ 0.5

以 MOSFET N1 為單位的電流限制值設(shè)置為：

ILIM = IPK × 1.2

對(duì)于MAX17597，連接在MOSFET N1和PGND源極之間的檢流電阻（RCS）設(shè)置峰值電流限值。限流比較器的電壓跳變電平（VCS-PEAK）為300mV。使用以下公式計(jì)算 RCS 的最大值：

RCS = (300mV/ILIM)Ω

對(duì)于MAX17498B/C，RLIM設(shè)置限流值，最小值為：

RLIM = ILIM ×50 in kΩ （注意，MAX17498B/C的最差情況ILIM為1.62A。

輸出電容器選擇

輸出電容的計(jì)算公式如下：

COUT = 1/2 [(ISTEP × TRESPONSE)/ΔVOUT]

TRESPONSE =(0.33/FC) + (1/FSW)

我在哪里步是負(fù)載步長(zhǎng)，t響應(yīng)是控制器的響應(yīng)時(shí)間，ΔV外是允許的輸出電壓偏差，并且fC是目標(biāo)閉環(huán)交越頻率。fC在 1/10 到 1/5 RHP 零范圍內(nèi)選擇。

fRHP,Zero = (VOUT × (1 - DMAX)2)/(IOUT × 2 × π × LIN)

對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，輸出電容在主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)提供負(fù)載電流，因此輸出電壓紋波是占空比和負(fù)載電流的函數(shù)。使用以下公式計(jì)算輸出電容穩(wěn)態(tài)紋波電壓：

ΔVCOUT = (IOUT × DMAX)/(COUT × FSW)

輸入電容選擇

所需的最小輸入陶瓷電容器（C2）可以根據(jù)輸入直流總線上允許的紋波計(jì)算得出。

CIN = [(LIR × IOUT)/(8 × ΔVIN × fSW × (1 - DMAX)]

其中 ΔV在是輸入直流總線上允許的紋波電壓。

實(shí)際上，提供了一個(gè)電解電容（圖1的C1）來(lái)去耦輸入電纜形成的任何源極電感。電解電容器C1也可以用作儲(chǔ)能元件，可以在輸入電源發(fā)生故障時(shí)供電。

電容器值隨溫度和施加電壓而變化。請(qǐng)參閱電容器數(shù)據(jù)手冊(cè)，選擇能夠保證所需 C 的電容器在和 Cout整個(gè)工作范圍內(nèi)的值。根據(jù)溫度范圍和施加的電壓，使用最壞情況下的電容降額值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算。

誤差放大器補(bǔ)償設(shè)計(jì)

誤差放大器的環(huán)路補(bǔ)償值現(xiàn)在可以計(jì)算為（R4、C5和C6）：

R4 = (182 × VOUT2 × COUT × (1 - DMIN) × RCS)/(IOUT × LIN) for MAX17597

R4 = (46 × VOUT2 × COUT × (1 - DMIN))/(IOUT × LIN) for MAX17498B/C

其中DMIN 是最高工作輸入電壓下的占空比，由以下表達(dá)式給出。

DMIN = (VOUT + VD - VINMAX)/(VOUT + VD)

C5 = (VOUT × COUT)/(2 × IOUT × R4)

C6 = 1/(π × FSW × R4)

斜率補(bǔ)償斜坡

在占空比大于50%時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器所需的斜率可以計(jì)算如下：

Se = ((0.82 × (VOUT - VINMIN) × RCS)/LIN)V/μs

Rcs = 0.5Ω for MAX1498B/C

其中 L在請(qǐng)參考MAX17597或MAX1498B/C數(shù)據(jù)資料，設(shè)置所需斜率S 的R1值e.

輸出二極管選擇

輸出二極管選擇的設(shè)計(jì)過(guò)程與DCM升壓部分概述的步驟相同。

場(chǎng)效應(yīng)管有效值電流計(jì)算

理想情況下，MOSFET 上的電壓應(yīng)力等于輸出電壓和輸出二極管正向壓降之和。實(shí)際上，電壓過(guò)沖和振鈴是由于關(guān)斷過(guò)渡期間電路寄生元件的作用而發(fā)生的。MOSFET 額定電壓的選擇應(yīng)具有必要的裕量，以適應(yīng)這種額外的電壓應(yīng)力。額定電壓為 1.3 × V外在大多數(shù)情況下提供必要的設(shè)計(jì)裕量。MOSFET 中的 RMS 電流可用于估算導(dǎo)通損耗，公式為：

IMOSFETRMS = (IOUT × √DMAX)/(1 - DMAX)

其中 D.MAX是最低工作輸入電壓下的占空比，Iout是最大負(fù)載電流。MAX17498B/C具有內(nèi)部MOSFET，內(nèi)部MOSFET的RMS電流可以使用上述公式計(jì)算。

反饋電位分壓器（DCM 和 CCM 設(shè)計(jì)的常用方法）

圖2的R3和R1構(gòu)成輸出電壓反饋網(wǎng)絡(luò)。選擇 R2 = 10kΩ。根據(jù) R2，計(jì)算 R3 為：

R3= R2× （V外/1.21 - 1）kΩ

請(qǐng)參考MAX17597或MAX1498B/C數(shù)據(jù)資料，對(duì)軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間、EN/UVLO和OVI分壓器和開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行編程。

審核編輯：郭婷