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電源中的升壓轉(zhuǎn)換器波形

發(fā)布時(shí)間:2023-04-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】可調(diào)式直流電源一般配有開關(guān)轉(zhuǎn)換器,用于提供穩(wěn)定的輸出電壓,并帶有明顯的紋波。如果將開關(guān)轉(zhuǎn)換器集成到 PCB 上,那么輸出中就會(huì)包含一些開關(guān)噪聲。電源中有幾個(gè)部分很難在板載升壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn),在示波器上查看波形時(shí),輸出中的噪聲可能會(huì)非常強(qiáng)烈。


本文要點(diǎn)


●降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的波形總是帶有一些紋波和噪聲,這是功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動(dòng)作造成的。

●與降壓轉(zhuǎn)換器一樣,升壓轉(zhuǎn)換器可以在連續(xù)或非連續(xù)模式下工作。

●一旦轉(zhuǎn)換器進(jìn)入非連續(xù)模式,波形就會(huì)從典型的紋波形狀變?yōu)殡姼须娏鳛榱愕牟ㄐ?,并且可能出現(xiàn)很強(qiáng)的瞬態(tài)效應(yīng)。


可調(diào)式直流電源一般配有開關(guān)轉(zhuǎn)換器,用于提供穩(wěn)定的輸出電壓,并帶有明顯的紋波。如果將開關(guān)轉(zhuǎn)換器集成到 PCB 上,那么輸出中就會(huì)包含一些開關(guān)噪聲。電源中有幾個(gè)部分很難在板載升壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn),在示波器上查看波形時(shí),輸出中的噪聲可能會(huì)非常強(qiáng)烈。


升壓轉(zhuǎn)換器的波形包括兩部分:額定(平均)直流輸出和開關(guān)波形產(chǎn)生的噪聲,其表現(xiàn)為圍繞額定直流值的紋波。這是升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)模式下輸出電壓/電流的基本形式。還要考慮到非連續(xù)模式,在該模式下,由于占空比和 R/L 上升率不足,轉(zhuǎn)換器會(huì)失去調(diào)節(jié)。借助得心應(yīng)手的仿真工具,設(shè)計(jì)人員可以從升壓轉(zhuǎn)換器的波形仿真中確定工作模式,并通過實(shí)驗(yàn)來找到確保穩(wěn)定供電的器件參數(shù)值。

電源中的升壓轉(zhuǎn)換器波形


升壓轉(zhuǎn)換器波形


升壓轉(zhuǎn)換器的輸出波形取決于轉(zhuǎn)換器的工作模式。開關(guān)穩(wěn)壓器有兩種可能的工作模式:連續(xù)和非連續(xù)工作模式。這兩種模式下的升壓轉(zhuǎn)換器波形是不同的,可以通過觀察電感電流來識(shí)別。在觀察輸出電流時(shí)要仔細(xì),因?yàn)楫?dāng)存在無功(高電容)器件時(shí),在復(fù)雜的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中可能存在一些補(bǔ)償。


對調(diào)節(jié)器電路進(jìn)行瞬態(tài)分析仿真,或者從示波器收集測量結(jié)果,就能確定轉(zhuǎn)換器的工作模式。


1. 連續(xù)導(dǎo)通模式


連續(xù)導(dǎo)通模式是開關(guān)穩(wěn)壓器最簡單的運(yùn)行模式。在這種模式下,電感中的電流(也就是輸出電流)在開關(guān)期間始終不會(huì)下降到 0;不過在開關(guān)期間會(huì)表現(xiàn)出一些振蕩。這是因?yàn)楫?dāng)開關(guān)元件激活時(shí),轉(zhuǎn)換器的上升/下降時(shí)間非常長,所以輸出電流可以通過放電電容來維持。可以將它看作是一種帶有一些附加噪聲的偽穩(wěn)態(tài)工作模式。這種噪聲的有效值測量(或功率譜測量),可用于確定產(chǎn)生穩(wěn)定直流電所需的濾波水平。


電源中的升壓轉(zhuǎn)換器波形


升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作時(shí)關(guān)鍵器件的波形 


在上述圖形中,最重要的波形是第 2 個(gè)波形(電感電流)。在這個(gè)波形中,我們可以清楚地觀察到額定電流上存在的紋波。輸出電壓和電流波形的情況與之類似,具體取決于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中無功阻抗的水平。


然后通過調(diào)整 PWM 驅(qū)動(dòng)器的占空比來調(diào)制輸送到負(fù)載的電源,這也將改變波形。例如,通過降低占空比 (D),電流波形的上升時(shí)間將縮短,而在 (1 - D) 區(qū)間內(nèi)的下降時(shí)間將增加。如果占空比對于所需的調(diào)節(jié)水平來說太低,電感電流波形最終將下降到 0,轉(zhuǎn)換器將在非連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。


2. 非連續(xù)導(dǎo)通模式


進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式之后,波形將表現(xiàn)為一個(gè)不連續(xù)的函數(shù),并將存在輸出電流為 0 的階段。這可以用一個(gè)大的輸出電容來平滑,但紋波可能大得令人無法接受,而且設(shè)計(jì)的功率因數(shù)也會(huì)很低。此外,這些設(shè)計(jì)往往會(huì)在電感波形的下降沿表現(xiàn)出一些瞬態(tài)振鈴,因?yàn)橄到y(tǒng)不再被周期性地驅(qū)動(dòng),導(dǎo)致輸出電流波形上出現(xiàn)較大的欠阻尼振蕩。


通常情況下,無法進(jìn)入這種狀態(tài)是因?yàn)檎伎毡韧蝗蛔兊锰?。比較上述模式的正確方法是比較紋波電流和額定輸入電流。


連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下的紋波電流調(diào)節(jié)


這也可能是由于設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了一個(gè)無意的錯(cuò)誤,即電感設(shè)計(jì)得太小,因此對于給定的占空比來說,轉(zhuǎn)換器中的下降時(shí)間太短。當(dāng)電路設(shè)計(jì)人員犯了這個(gè)錯(cuò)誤時(shí),他們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)無法僅僅通過增加占空比來重新進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式;電感的下降時(shí)間太短了。此外,增加占空比會(huì)改變輸出電壓,而且可能無法達(dá)到預(yù)期的輸出。


有四種方法可以使設(shè)計(jì)重新進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式,而不需要改變占空比:

1. 使用更大的電感器(指電感量更大,不一定是物理上的更大);這樣做還有一個(gè)好處,就是能直接減少輸出電壓的紋波。

2. 使用更大的電容器,再次延長電感電流波形的上升時(shí)間;這樣做還可以提供額外的噪聲過濾。

3. 在濾波電容上增加一個(gè)非常小的電阻,以延長上升時(shí)間。在某些情況下,增加的電阻可以小至幾歐姆。

4. 增加開關(guān)頻率,如此一來,盡管在非連續(xù)的升壓轉(zhuǎn)換器波形中有較長的關(guān)斷時(shí)間,開關(guān)也會(huì)更頻繁。


第 1 種方法和第 2 種方法在具有低輪廓或小尺寸的設(shè)計(jì)中可能實(shí)施起來有些困難。值得注意的是,如果采用了第 4 種方法,就無需考慮前兩種方法,這也是現(xiàn)代數(shù)字和無線系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)在很高的 kHz 或 MHz 開關(guān)頻率下運(yùn)行,而較簡單的直流設(shè)計(jì)可以繼續(xù)在低頻率(約 100kHz)下運(yùn)行的眾多原因之一。


Cadence 提供全套系統(tǒng)分析工具,包括集成的 PCB layout 仿真功能和 SPICE 仿真工具集,可幫助您實(shí)現(xiàn)最佳的開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。利用 Cadence 設(shè)計(jì)軟件中的瞬態(tài)分析工具,設(shè)計(jì)人員可以模擬升壓轉(zhuǎn)換器的波形,確保設(shè)計(jì)按照預(yù)期正常運(yùn)行。強(qiáng)大的場求解器提供全套軟件仿真功能,與電路設(shè)計(jì)和 PCB layout 軟件集成,打造了一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具包,適用于各類應(yīng)用和各種復(fù)雜程度的設(shè)計(jì)。


( 來源:Cadence楷登PCB及封裝資源中心微信公眾號(hào))


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