电源中的升压转换器波形

本文要点

· 降压和升压转换器的波形总是带有一些纹波和噪声，这是功率转换器的开关动作造成的。
· 与降压转换器一样，升压转换器可以在连续或非连续模式下工作。
· 一旦转换器进入非连续模式，波形就会从典型的纹波形状变为电感电流为零的波形，并且可能出现很强的瞬态效应。

可调式直流电源一般配有开关转换器，用于提供稳定的输出电压，并带有明显的纹波。如果将开关转换器集成到 PCB 上，那么输出中就会包含一些开关噪声。电源中有几个部分很难在板载升压转换器中实现，在示波器上查看波形时，输出中的噪声可能会非常强烈。

升压转换器的波形包括两部分：额定（平均）直流输出和开关波形产生的噪声，其表现为围绕额定直流值的纹波。这是升压转换器在连续模式下输出电压/电流的基本形式。还要考虑到非连续模式，在该模式下，由于占空比和 R/L 上升率不足，转换器会失去调节。借助得心应手的仿真工具，设计人员可以从升压转换器的波形仿真中确定工作模式，并通过实验来找到确保稳定供电的器件参数值。

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。开关稳压器有两种可能的工作模式：连续和非连续工作模式。这两种模式下的升压转换器波形是不同的，可以通过观察电感电流来识别。在观察输出电流时要仔细，因为当存在无功（高电容）器件时，在复杂的负载网络中可能存在一些补偿。

对调节器电路进行瞬态分析仿真，或者从示波器收集测量结果，就能确定转换器的工作模式。

1. 连续导通模式

连续导通模式是开关稳压器最简单的运行模式。在这种模式下，电感中的电流（也就是输出电流）在开关期间始终不会下降到 0；不过在开关期间会表现出一些振荡。这是因为当开关元件激活时，转换器的上升/下降时间非常长，所以输出电流可以通过放电电容来维持。可以将它看作是一种带有一些附加噪声的伪稳态工作模式。这种噪声的有效值测量（或功率谱测量），可用于确定产生稳定直流电所需的滤波水平。

升压转换器在连续导通模式下工作时关键器件的波形

在上述图形中，最重要的波形是第 2 个波形（电感电流）。在这个波形中，我们可以清楚地观察到额定电流上存在的纹波。输出电压和电流波形的情况与之类似，具体取决于负载网络中无功阻抗的水平。

然后通过调整 PWM 驱动器的占空比来调制输送到负载的电源，这也将改变波形。例如，通过降低占空比 (D)，电流波形的上升时间将缩短，而在 (1 - D) 区间内的下降时间将增加。如果占空比对于所需的调节水平来说太低，电感电流波形最终将下降到 0，转换器将在非连续导通模式下工作。

2. 非连续导通模式

进入非连续导通模式之后，波形将表现为一个不连续的函数，并将存在输出电流为 0 的阶段。这可以用一个大的输出电容来平滑，但纹波可能大得令人无法接受，而且设计的功率因数也会很低。此外，这些设计往往会在电感波形的下降沿表现出一些瞬态振铃，因为系统不再被周期性地驱动，导致输出电流波形上出现较大的欠阻尼振荡。

通常情况下，无法进入这种状态是因为占空比突然变得太短。比较上述模式的正确方法是比较纹波电流和额定输入电流。

连续导通模式 (CCM) 和非连续导通模式 (DCM) 下的纹波电流调节

这也可能是由于设计中出现了一个无意的错误，即电感设计得太小，因此对于给定的占空比来说，转换器中的下降时间太短。当电路设计人员犯了这个错误时，他们往往会发现无法仅仅通过增加占空比来重新进入连续导通模式；电感的下降时间太短了。此外，增加占空比会改变输出电压，而且可能无法达到预期的输出。

有四种方法可以使设计重新进入连续导通模式，而不需要改变占空比：

1. 使用更大的电感器（指电感量更大，不一定是物理上的更大）；这样做还有一个好处，就是能直接减少输出电压的纹波。
2. 使用更大的电容器，再次延长电感电流波形的上升时间；这样做还可以提供额外的噪声过滤。
3. 在滤波电容上增加一个非常小的电阻，以延长上升时间。在某些情况下，增加的电阻可以小至几欧姆。
4. 增加开关频率，如此一来，尽管在非连续的升压转换器波形中有较长的关断时间，开关也会更频繁。

第 1 种方法和第 2 种方法在具有低轮廓或小尺寸的设计中可能实施起来有些困难。值得注意的是，如果采用了第 4 种方法，就无需考虑前两种方法，这也是现代数字和无线系统的电源设计在很高的 kHz 或 MHz 开关频率下运行，而较简单的直流设计可以继续在低频率（约 100kHz）下运行的众多原因之一。

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