選擇公升壓轉換器電感值

2021-09-25 11:34:40 字數 2757 閱讀 3014

僅乙個電池可能無法為複雜系統提供正常工作所需的所有電壓軌。汽車led驅動器、音訊放大器以及電信等應用需要公升壓轉換器——tlv61220dbvr將較低輸入電壓轉換為較高輸出電壓。要確定應該將轉換器的工作模式設計成連續傳導模式(ccm)、非連續傳導模式(dcm)還是二者的結合,這對於公升壓轉換器設計人員來說可能不太明確。

公升壓轉換器的形狀和尺寸多種多樣,所支援的電源等級和公升壓比率非常廣泛。這些要求決定了公升壓轉換器最適合在ccm下工作,還是在dcm 下工作。在dcm下,電感器電流在fet導通時開始從零公升高,並在下乙個轉換週期到來之前完全放電歸零。但在非同步ccm公升壓情況下,無論電流是在公升高、在下降,還是在將電感器儲存的能量釋放到輸出電容器和負載中,電感器電流始終大於零。

在ccm下,占空比對負載而言是恆定的,但會隨輸入電壓變化而變化。在大多數ccm設計中,當低於某一最低負載時,工作模式會轉換為dcm,因為電感器電流在下乙個轉換週期到來之前最終會降低至零。

在大多數情況下,高功率公升壓轉換器工作在ccm下,而低功率公升壓則在dcm下完成。這是因為ccm允許較低峰值電流流過整個電路,通常會帶來較低電路損耗。但可能在高電壓公升壓轉換的輸出整流器中也有例外,例如在pfc中,反向恢復電流會導致更多損耗。這種損耗通常可採用高質量(快速)整流器進行處理。

如果在 dcm 下工作,會出現在 ccm 模式下兩倍的峰值電感器電流,但如果故意減小電感值,則該電流可能還會高很多。這些更高電流不僅可增大輸入輸出電容器中的均方根電流,而且還可增加fet中的開關損耗,因此需要更大(或更多)的元件來應對附加應力。單這一項不足通常就能掩蓋 dcm 在高功率下提供的其它優勢。

儘管電感器均方根電流在dcm下更高,但其線阻通常會低很多,因此銅損耗往往與ccm相同或更低。不過,dcm 下的核心損耗在高功率等級下更大。有時候可能需要更大的核心來處理這些增加的損耗,這會使經常讓人振奮的「更小電感器尺寸」優勢黯然失色。dcm能真正發揮優勢的地方是較低功率等級,這裡電容器和fet中增加的應力不一定需要較大元件,採用較小電感器即可。

dcm的乙個額外優勢是在以高公升壓比率工作時(此時ccm工作需要大量的導通時間),可通過減小電感值來縮短導通時間(伴有更高峰值電流)。這非常好,因為控制器經常會達到最大可控制導通時間(或最小關斷時間)限值,跳過脈衝。這樣,設計人員可根據控制器的可工作範圍對導通和關斷時間進行微調。此外,dcm的控制環路表現要優於ccm,因為沒有右半平面零點,其可轉換為優異的瞬態效能。

有時候可通過減小電感值將rhpz 的影響降到最低,我們可將rhpz 推到影響較小的更高頻率位置。無論在輕負載、啟動還是在瞬態條件下,所有ccm公升壓都可在一定條件下以 dcm模式工作。這完全可以接受,但應該搞清楚出現這種情況時的條件。

圖1是電感方程式(方程1)中反向公升壓比率(vin/vout)與占空比(d×(1-d)2)的比較圖。該專案與ccm公升壓轉換器中所需的電感成正比。本圖中的峰值出現在vin/vout比值為2/3時或公升壓比率(vout/vin)為1.5[1] 時。這可能是有些不太直觀的結果。它的意思是,在採用變化輸入電壓的設計中,電路必須在 vin/vout 比率的乙個區段間工作。如果該範圍非常廣泛而且該區段包含圖1中的峰值,那就應該在2/3 的vin/vout比率位置計算電感。如果該區段不包含2/3點,那它就應該在其相對峰值比率處進行設計。

圖1.ccm所需的最大電感出現在vin/vout = 2/3時

圖2是汽車led驅動器應用,其採用控制器調節輸出電流,而不是固定輸出電壓。該設計電路在0.27至0.97的區段間工作,如圖1中虛線所示。應在2/3的比率位置計算其電感。led負載電流是恆定的,因此要選擇所需的電感,就得選擇低於實際負載電流的設計負載電流。只要實際負載電流大於這一所選等級,轉換器就會在ccm下工作。

圖2.led公升壓轉換器設計示例始終在ccm下工作,負載恆定

在本示例中,led電流為0.22a,選擇了0.15a的臨界傳導等級,這就意味著轉換器應始終在ccm下工作。該等級可在最大限度降低所需電感與確保ccm工作之間實現良好平衡。對於該設計,這相當於是68uh 的計算所得電感。要證實該電感是否正確,可將圖[2]的d(1-d)2項指定為常數k.將該常數代入方程1並進行計算,可通過方程 2 計算出 k 值。我們可使用k的計算值來確定工作邊界。

圖3與圖1相比稍有不同,橫座標變成了占空比,而不是原來的vin/vout.圖中顯示了設計示例(採用68uh電感器)的k計算值以及0.15a 的降低負載電流。我們可以看到,電路工作一直處於該曲線上方,這說明在所有輸出電壓下電路將始終在ccm下工作。但電路實際可將電流調節為0.22a,因此k的典型值接近0.23。這明顯高於該曲線而且更加深入ccm,因此可提供所需的裕量。

圖3.占空比可影響公升壓轉換器的工作模式

正如另乙個可形象展示意外工作情況的設計點示例所示,必須考慮在改用33uh電感器時會出現的情況。如果該值通過vin最大值或vin最小值計算,而不是通過與圖1峰值有關的vin 計算,就可對其進行選擇。由於電感為33uh,因此 k 的對應值等於 0.11,如圖3 所示。在0.16與0.55(分別對應28vin和15vin)的工作占空比之間,電路會無意間工作在dcm下,而在這些占空比以外則工作在ccm下。由於兩種模式具有不同的控制環路特徵,因此如果在多種模式下工作可能會導致適當的不穩定性。

公升壓轉換器可在ccm、dcm或這兩種模式下工作,主要取決於輸入電壓和負載。在計算所需的電感以確保ccm工作時,必須知道計算中使用的輸入電壓(或占空比)值。對於具有寬泛輸入的設計而言,應使用 2/3的 vin/vout比率 (d = 0.33)。現有設計可使用方程2計算出的k值通過d(1-d)2曲線確定工作模式。通過正確調整電感器尺寸,可以避免意外問題發生,並能更好地掌握公升壓轉換器正工作在哪種或哪幾種模式下。

john betten是德州儀器的應用工程師,也是 ti 科技委員會的資深委員,擁有超過28年的ac/dc及dc/dc電源轉換設計經驗。john畢業於匹茲堡大學,獲電子工程學士學位,是ieee會員。

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