升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功率電子領(lǐng)域非常重要，但是電感值的選擇并不總是像通常假設(shè)的那樣簡單。在dc-dc升壓轉(zhuǎn)換器中，所選電感值會影響輸入電流紋波、輸出電容大小和瞬態(tài)響應(yīng)。選擇正確的電感值有助于優(yōu)化轉(zhuǎn)換器尺寸與成本，并確保在所需的導(dǎo)通模式下工作。本文講述的是在一定范圍的輸入電壓下，計算電感值以維持所需紋波電流和所選導(dǎo)通模式的方法，并介紹了一種用于計算輸入電壓上限和下限模式邊界的數(shù)學(xué)方法，還探討了如何使用安森美半導(dǎo)體的WebDesigner?在線設(shè)計工具來加速這些設(shè)計步驟。

ConductionMode

導(dǎo)通模式

升壓轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通模式由相對于直流輸入電流(IIN)的電感紋波電流峰峰值(ΔIL)的大小決定。這個比率可定義為電感紋波系數(shù)(KRF)。電感越高，紋波電流和KRF就越低。

(1)，

其中

(2)

在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)中，正常開關(guān)周期內(nèi)，瞬時電感電流不會達(dá)到零(圖1)。因此，當(dāng)ΔIL小于IIN的2倍或KRF<2時，CCM維持不變。MOSFET或二極管必須以CCM導(dǎo)通。這種模式通常適用于中等功率和高功率轉(zhuǎn)換器，以最大限度地降低元件中電流的峰值和均方根值。當(dāng)KRF>2且每個開關(guān)周期內(nèi)都允許電感電流衰減到零時，會出現(xiàn)非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)(圖2)。直到下一個開關(guān)周期開始前，電感電流保持為零，二極管和MOSFET都不導(dǎo)通。這一非導(dǎo)通時間即稱為tidle。DCM可提供更低的電感值，并避免輸出二極管反向恢復(fù)損耗。

圖1–CCM運行

圖2–DCM運行

當(dāng)KRF=2時，轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為處于臨界導(dǎo)通模式(CrCM)或邊界導(dǎo)通模式(BCM)。在這種模式下，電感電流在周期結(jié)束時達(dá)到零，正如MOSFET會在下一周期開始時導(dǎo)通。對于需要一定范圍輸入電壓(VIN)的應(yīng)用，固定頻率轉(zhuǎn)換器通常在設(shè)計上能夠在最大負(fù)載的情況下在指定VIN范圍內(nèi)，以所需要的單一導(dǎo)通模式(CCM或DCM)工作。隨著負(fù)載減少，CCM轉(zhuǎn)換器最終將進(jìn)入DCM工作。在給定VIN下，使導(dǎo)通模式發(fā)生變化的負(fù)載就是臨界負(fù)載(ICRIT)。在給定VIN下，引發(fā)CrCM/BCM的電感值被稱為臨界電感(LCRIT)，通常發(fā)生于最大負(fù)載的情況下。

紋波電流與VIN

眾所周知，當(dāng)輸入電壓為輸出電壓(VOUT)的一半時，即占空比(D)為50%時(圖3)，在連續(xù)導(dǎo)通模式下以固定輸出電壓工作的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的電感紋波電流最大值就會出現(xiàn)。這可以通過數(shù)學(xué)方式來表示，即設(shè)置紋波電流相對于D的導(dǎo)數(shù)(切線的斜率)等于零，并對D求解。簡單起見，假定轉(zhuǎn)換器能效為100%。

圖3–CCM中的電感紋波電流

CCM工作

為了選擇CCM升壓轉(zhuǎn)換器的電感值(L)，需要選擇最高KRF值，確保整個輸入電壓范圍內(nèi)都能夠以CCM工作，并避免峰值電流受MOSFET、二極管和輸出電容影響。然后計算得出最小電感值。KRF最高值通常選在0.3和0.6之間，但對于CCM可以高達(dá)2.0。如前所述，當(dāng)D=0.5時，出現(xiàn)紋波電流ΔIL最大值。那么，多少占空比的情況下會出現(xiàn)KRF最大值呢?我們可以通過派生方法來求得。

假設(shè)η=100%，則

(10),

然后將(2)、(6)、(7)和(10)代入(1)，得出:

(11)

(12).

對D求解，可得

(13).

D=1這一偽解可被忽略，因為它在穩(wěn)態(tài)下實際上是不可能出現(xiàn)的(對于升壓轉(zhuǎn)換器，占空比必須小于1.0)。因此，當(dāng)D=?或VIN=?VOUT時的紋波因數(shù)KRF最高，如圖4所示。使用同樣的方法還能得出在同一點的最大值LMIN、LCRIT和ICRIT。

圖4–當(dāng)D=?時CCM紋波系數(shù)KRF最高值

對于CCM工作，最小電感值(LMIN)應(yīng)在最接近?VOUT的實際工作輸入電壓(VIN(CCM))下進(jìn)行計算。根據(jù)應(yīng)用的具體輸入電壓范圍，VIN(CCM)可能出現(xiàn)在最小VIN、最大VIN、或其間的某個位置。解方程(5)求L，并根據(jù)VIN(CCM)下的KRF重新計算，可得出

(14)，

其中VIN(CCM)為最接近?VOUT的實際工作VIN。

對于臨界電感與VIN和IOUT的變化，KRF=2，可得出

(15).

在給定VIN和L值的條件下，當(dāng)KRF=2時，即出現(xiàn)臨界負(fù)載(ICRIT)：

(16)

DCM工作

如圖5所示，在一定工作VIN和輸出電流(IOUT)下的電感值小于LCRIT時，DCM模式工作保持不變。對于DCM轉(zhuǎn)換器，可選擇最短的空閑時間以確保整個輸入電壓范圍內(nèi)均為DCM工作。tidle最小值通常為開關(guān)周期的3%-5%，但可能會更長，代價是器件峰值電流升高。然后采用tidle最小值來計算最大電感值(LMAX)。LMAX必須低于VIN范圍內(nèi)的最低LCRIT。對于給定的VIN，電感值等于LCRIT(tidle=0)時引發(fā)CrCM。

圖5–LCRIT與標(biāo)準(zhǔn)化VIN的變化

為計算所選最小空閑時間(tidle(min))的LMAX，首先使用DCM伏秒平衡方程求出tON(max)(所允許的MOSFET導(dǎo)通時間最大值)與VIN的函數(shù)，其中tdis為電感放電時間。

LMAX遵循類似于LCRIT的曲線，且同在VIN=?VOUT時達(dá)到峰值。為確保最小tidle，要計算與此工作點相反的實際工作輸入電壓(VIN(DCM))下的最低LMAX值。根據(jù)應(yīng)用的實際輸入電壓范圍，VIN(DCM)將等于最小或最大工作VIN。若整體輸入電壓范圍高于或低于?VOUT(含?VOUT)，則VIN(DCM)是距?VOUT最遠(yuǎn)的輸入電壓。若輸入電壓范圍覆蓋到了?VOUT，則在最小和最大VIN處計算電感，并選擇較低(最差情況下)的電感值?；蛘撸詧D表方式對VIN進(jìn)行評估，以確定最差情況。

輸入電壓模式邊界

當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流小于ICRIT與VIN的最大值時，如果輸入電壓增加到高于上限模式邊界或下降到低于下限模式邊界，即IOUT大于ICRIT時，則將引發(fā)CCM工作。而DCM工作則發(fā)生于兩個VIN的模式邊界之間，即IOUT小于ICRIT時。要想以圖表方式呈現(xiàn)VIN下的這些導(dǎo)通模式邊界，在相同圖表中繪制臨界負(fù)載(使用所選電感器)與輸入電壓和相關(guān)輸出電流的變化曲線。然后在X軸上找到與兩條曲線相交的兩個VIN值(圖6)。

圖6–輸入電壓模式邊界

要想以代數(shù)方式呈現(xiàn)VIN的模式邊界，首先將臨界負(fù)載的表達(dá)式設(shè)置為等于相關(guān)輸出電流，以查找交點：

于升壓轉(zhuǎn)換器的物理限制，任何VMB≤0或VMB>VOUT的解均可忽略。兩個正解均為模式邊界處VIN的有效值。

模式邊界–設(shè)計示例

我們假設(shè)一個具有以下規(guī)格的DCM升壓轉(zhuǎn)換器：

VOUT=12V

IOUT=1A

L=6μH

FSW=100kHz

首先，通過(25)和(28)計算得出KCM和θ：

將VOUT和計算所得的θ值代入(29)，得出模式邊界處的VIN值：

忽略偽解(-3.36V)，我們在4.95V和10.40V得到兩個輸入電壓模式邊界。這些計算值與圖7所示的交點相符。

圖7–計算得出的模式邊界

采用WebDesigner?BoostPowertrain加速設(shè)計

對于不同的升壓電感值，手動重復(fù)進(jìn)行這些設(shè)計計算可能會令人厭煩且耗費時間。復(fù)雜的三次方程也使輸入電壓模式邊界的計算相當(dāng)繁瑣且容易出錯。通過使用安森美半導(dǎo)體的WebDesigner?等在線設(shè)計工具，就能更輕松并顯著地加速設(shè)計工作。BoostPowertrain設(shè)計模塊(圖8)會自動執(zhí)行所有這些計算(包括實際能效的影響)，并根據(jù)您的應(yīng)用要求推薦最佳電感值。您可以從廣泛的內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中選擇真正的電感器部件值，或者輸入您自己的定制電感器規(guī)格，立即就能計算得出紋波電流和模式邊界、及其對輸出電容、MOSFET、二極管損耗、以及整體能效的影響。

圖8-WebDesigner?BoostPowertrain

可點擊此處獲取WebDesignerBoostPowertrain設(shè)計工具。

結(jié)論

電感值會影響升壓轉(zhuǎn)換器的諸多方面，若選擇不當(dāng)，可能會導(dǎo)致成本過高、尺寸過大、或性能不佳。通過了解電感值、紋波電流、占空比和導(dǎo)通模式之間的關(guān)系，設(shè)計人員就能夠確保輸入電壓范圍內(nèi)的所需性能。