許(xu)多(duo)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)是(shi)由(you)嚴(yan)苛(ke)的(de)輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)要(yao)求(qiu)驅(qu)動(dong)的(de)。對(dui)低(di)輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)的(de)需(xu)求(qiu)促(cu)使(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)加(jia)大(da)輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)，例(li)如(ru)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)電(dian)容(rong)。隨(sui)著(zhe)輸(shu)出(chu)軌(gui)上(shang)電(dian)容(rong)的(de)增(zeng)加(jia)，過(guo)大(da)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)可(ke)能(neng)會(hui)給(gei)啟(qi)動(dong)過(guo)程(cheng)造(zao)成(cheng)問(wen)題(ti)，導(dao)致(zhi)電(dian)感(gan)飽(bao)和(he)或(huo)損(sun)壞(huai)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)。

 

不同於開關控製器，單片開關穩壓器的功率開關在芯片內部。這對於負載點開關轉換器應用而言是一種理想方法，因為它具有更小的PCB尺寸和更好的柵極驅動電路設計等優點。這意味著，為了避免損壞開關和穩壓器芯片本身，過流保護是必須的。雙通道
、高性能DC-DC單芯片開關穩壓器 ADP5070 就是一個例子，如圖1所示。

 

圖1. 采用ADP5070穩壓器的開關轉換器

 

在zai輸shu出chu過guo載zai情qing況kuang下xia或huo啟qi動dong時shi會hui有you大da電dian流liu流liu過guo內nei部bu開kai關guan的de情qing況kuang下xia，為wei防fang止zhi電dian路lu受shou損sun


，開kai關guan穩wen壓ya器qi製zhi造zao商shang在zai單dan芯xin片pian開kai關guan穩wen壓ya器qi上shang會hui采cai用yong不bu同tong的de限xian流liu技ji術shu。盡jin管guan存cun在zai限xian流liu保bao護hu
，開kai關guan穩wen壓ya器qi仍reng可ke能neng無wu法fa正zheng常chang工gong作zuo，尤you其qi是shi在zai啟qi動dong期qi間jian。例li如ru，打da嗝ge模mo式shi用yong作zuo限xian流liu保bao護hu手shou段duan時shi
，在zai初chu始shi上shang電dian期qi間jian，輸shu出chu電dian容rong仍reng處chu於yu完wan全quan放fang電dian狀zhuang態tai，開kai關guan穩wen壓ya器qi可ke能neng進jin入ru打da嗝ge模mo式shi，導dao致zhi啟qi動dong時shi間jian延yan長chang或huo可ke能neng根gen本ben不bu啟qi動dong。除chu負fu載zai外wai，輸shu出chu電dian容rong可ke能neng會hui引yin起qi過guo大da的de浪lang湧yong電dian流liu
，導dao致zhi電dian感gan電dian流liu升sheng高gao並bing達da到dao打da嗝ge模mo式shi限xian流liu閾yu值zhi。

 

 

開關轉換器內部集成功率開關
，使限流保護成為基本功能。常用限流方案有三種：恒流限流、折返限流和打嗝模式限流。

 

 

對於恒流限流方案，當發生過載情況時

，輸出電流保持恒定值(ILIMIT)。因此，輸出電壓會下降。這種方案通過逐周期限流實現，利用流經功率開關的峰值電感電流信息檢測過載狀況。

 

圖2. 逐周期恒流限流

 

圖2顯示了在峰值限流方案中，一個降壓轉換器在正常和過載情況下的典型電感電流。在過載狀況期間
，如ILIMIT所示，當檢測到的峰值電流大於預定閾值時，開關周期終止。

 

在恒流限流方案中

，輸出電流保持在ILIMIT，導致穩壓器功耗很高。此功耗會導致結溫升高，可能超過熱限值。

 

 

折返限流方案部分解決了恒流限流的問題
，在故障或過載情況下有助於將晶體管保持在安全工作區域。圖3比較了恒流和折返限流兩種方案的VOUT與IOUT響應曲線。與恒流限流相反
，輸出電流(IOUT)的減小降低了功耗
，從而降低了開關轉換器的熱應力。

 

圖3. 恒流和折返兩種方案的VOUT與IOUT曲線

 

gaifangandequedianshibunengwanquanzihuifu。youyuqizhefantexing，bingqiequjueyufuzaixingzhi，yidandadaohuochaoguoxianliuyuzhi，gongzuodiankenengluoruquxiangduanlugongzuodiandezhefanquyu。zhejiangxuyaoduandianzhongqiqijianhuozhongxinshinengqijian，shiqihuifuzhengchanggongzuozhuangtai。

 

 

在打嗝模式限流方案中
，轉換器開關進入一係列突發短脈衝
，然後是睡眠時間
，"打嗝"名ming稱cheng正zheng是shi由you此ci而er來lai。一yi旦dan發fa生sheng過guo載zai狀zhuang況kuang
，開kai關guan轉zhuan換huan器qi即ji進jin入ru打da嗝ge模mo式shi，其qi中zhong的de睡shui眠mian時shi間jian是shi指zhi開kai關guan斷duan開kai預yu定ding時shi間jian。睡shui眠mian時shi間jian結jie束shu時shi，開kai關guan轉zhuan換huan器qi將jiang嚐chang試shi從cong軟ruan啟qi動dong狀zhuang態tai重zhong新xin啟qi動dong。如ru果guo限xian流liu故gu障zhang已yi清qing除chu

，器qi件jian將jiang恢hui複fu正zheng常chang工gong作zuo，否fou則ze重zhong新xin進jin入ru打da嗝ge模mo式shi。

 

dagemoshixianliufangankefuleshangmiantaolundeliangzhongguoliubaohudequedian。shouxian

，tajiejuelesanrewenti
，yinweishuimianshijianjiangdilepingjunfuzaidianliu
，shizhuanhuanqideyilengque。qici
，yidanguozaitiaojianxiaochu

，qijianbiannengpingwendizidonghuifu。

 

danshi，ruguoqidongguochengzhongdagemoshijiancechuyujihuozhuangtai，zekenenghuichuxianyixiewenti。chufuzaidianliuwai，guodalangyongdianliukenenghuidaozhidiangandianliuchaochuxianliuyuzhi，congerchufadagemoshi

，zuzhizhuanhuanqiqidong。liru，ADP5071的反相穩壓器的負輸出配置為-15 V輸出電壓、100 mA輸出電流和大約63 μF的總輸出電容，由3.3 V電源供電後不會啟動。如圖4所示

，由於大輸出浪湧電流觸發限流閾值，負軌處於打嗝模式。電感電流峰值達到1.5 A左右，超過了約1.32 A的典型限流閾值。

 

圖4. 打嗝模式下的ADP5071反相穩壓器

 

另外
，如果由於輸出電容較大而引起浪湧過大，轉換器的啟動時間可能會意外變長
，如圖5所示。

 

圖5. ADP5070反相穩壓器延遲啟動

 

 

在非隔離式開關轉換器中，電感的位置決定轉換器的拓撲結構。輸入和輸出之間有一個共用參考地，電感位置隻有三個可能的不同軌：輸入
、輸出和接地軌。

 

圖6xianshilezhesanzhongjibenkaiguantuopujiegou。dangdianganweiyushuchuguishi
，tuopujiegouweijiangyaxing。dangdianganweiyushuruguishi
，tuopujiegouweishengyaxing。dangdianganweiyujiediguishi
，tuopujiegouweifanxiangshengjiangyaxing。

 

圖6. 基本開關拓撲結構

 

在穩態條件下，由於電容上的平均電流為零，所以輸出軌上的平均電流(IOUTRAIL)必定等於輸出電流。對於降壓拓撲，IL-AVE = IOUT。但對於升壓和反相升降壓型拓撲，ID-AVE = IOUT。

 

對於升壓和反相升降壓型拓撲
，電流僅在開關關斷期間流過二極管。因此在開關斷開期間，ID-AVE = IL-AVE。要計算相對於輸出電流的平均電感電流，請參考圖7。關斷時間內綠色矩形區域是平均二極管電流ID-AVE，其高度等於IL-AVE，寬度等於TOFF。此電流全部到達輸出端，因此可以轉換成平均寬度為T、高度為IOUT的矩形區域。

 

圖7. 升壓型或反相升降壓型的二極管電流

 

表1是對平均電感電流IL-AVE和開關占空比D的總結。基於這些公式

，當輸入電壓處於最小值以提供最大占空比時，並且當輸出電流處於最大值時
，電感電流將處於最大值。

 

表1. 平均電感電流和占空比電感電流峰值

 

 

圖8顯示了升降壓逆變器在穩態條件和連續導通工作模式下的電感電壓和電流波形。對於任何開關拓撲結構
，電感電流紋波量(ΔIL)都可以根據理想電感公式2得出。

 

圖8. 電感電流的"擺幅"

 

 

在電感電流為三角形且呈現恒定變化率（因此有恒定感應電壓）的開關轉換器應用中
，(ΔIL/Δt)可以用在電感公式中
，重新整理的公式3中就這一項。電感電流紋波由施加到電感的伏秒和電感值決定。

 

 

開關導通時間很容易與占空比和開關頻率相聯係，如公式4所示。因此，在後麵的公式中在開關導通期間使用伏秒乘積要比開關關斷期間更方便。

 

 

表2總結了三種不同拓撲結構中的電感電流紋波。公式3中的伏秒乘積項tON被公式4代替，VL-ON項被電感上的感應電壓（取決於拓撲結構）代替。

 

表2. 電感電流紋波

 

回顧圖8中的穩態電感電流
，可觀察到，電感電流平均值恰好位於斜坡的幾何中心，或波形擺幅的ΔIL/2點處。因此

，電感電流峰值等於電感電流均值與電感電流紋波的一半之和，如公式5所示。

 

 

 

公式6定義了電容的充電電流或位移電流。它指出，流經一個電容的電流對應於該電容上的電壓變化率。

 

 

選xuan擇ze開kai關guan轉zhuan換huan器qi的de輸shu出chu電dian容rong值zhi時shi
，應ying考kao慮lv電dian容rong充chong電dian電dian流liu。啟qi動dong時shi
，假jia定ding電dian容rong電dian壓ya等deng於yu零ling或huo沒mei有you電dian荷he，輸shu出chu電dian容rong開kai始shi充chong電dian，汲ji取qu的de電dian流liu取qu決jue於yu總zong電dian容rong和he電dian容rong電dian壓ya變bian化hua率lv，直zhi至zhi電dian容rong電dian壓ya達da到dao穩wen定ding狀zhuang態tai。

 

開關轉換器中輸出電壓的上升是一個斜率恒定的受控斜坡，因此變化率方程可以簡化，如公式7所示。輸出電壓(ΔV)的變化對應於穩態輸出電壓
，Δt對應於啟動期間輸出達到最終值所需的時間
，或通常稱為軟啟動時間。

 

 

如果輸出電容(COUT)過大或軟啟動時間較短，則穩壓器需要的電流ICAP可能太高
，導致轉換器操作出現問題。這種大電流脈衝量稱為浪湧電流。圖9顯示了輸出為15 V
、輸出電容為10 μF、軟啟動時間為4 ms的反相降壓-升壓轉換器啟動期間的電容浪湧電流和輸出電壓。

 

圖9. 輸出電容浪湧電流

 

 

圖10顯示了一個典型升壓轉換器電路。當晶體管開關閉合時，電流流過電感，但沒有電流流過輸出軌。在COUT放電階段，放電電流(ICAP)流向輸出端，但沒有電流流經反向偏置二極管。當晶體管開關斷開時
，電流ID流過二極管。

 

圖10. 升壓DC-DC轉換器電路

 

根據基爾霍夫電流定律，通過輸出軌的電流(ID)必須等於流過輸出電容(ICAP)和輸出負載(IOUT)的電流之和。這可以通過公式8表示。

 

 

此ci公gong式shi適shi用yong於yu每mei個ge充chong電dian階jie段duan或huo電dian容rong兩liang端duan的de電dian壓ya上shang升sheng時shi。因yin此ci，它ta也ye適shi用yong於yu開kai關guan轉zhuan換huan器qi的de啟qi動dong過guo程cheng，當dang輸shu出chu電dian容rong的de初chu始shi狀zhuang態tai為wei放fang電dian時shi
，或huo當dang輸shu出chu電dian壓ya尚shang未wei處chu於yu穩wen態tai值zhi時shi。

 

啟動期間的電感電流峰值可使用公式5進行定義，其中包括輸出電容引起的浪湧電流影響。公式8將被應用於表1中的IL-AVE公式，用IOUT + ICAP代替IOUT。表3總結了啟動過程中的電感電流峰值公式。

 

表3. 啟動時的電感電流峰值

 

對於三種拓撲結構中的任何一種，電感電流峰值都與IOUT成正比。就輸出電流而言
，輸出電容必須按照滿載條件進行設計。

 

大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)在(zai)一(yi)定(ding)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)內(nei)工(gong)作(zuo)。因(yin)此(ci)
，針(zhen)對(dui)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，就(jiu)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)的(de)直(zhi)流(liu)和(he)交(jiao)流(liu)分(fen)量(liang)電(dian)壓(ya)的(de)大(da)小(xiao)而(er)言(yan)，降(jiang)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)與(yu)其(qi)他(ta)兩(liang)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)差(cha)異(yi)。通(tong)過(guo)圖(tu)11keyigenghaodimingbaizheyidian。duiyujiangyatuopu
，suizheshurudianyashenggao
，jiaoliufenliangdianyashenggao。pingjundianliudengyushuchudianliu，suoyizhiliufenliangdianyabaochibubian。yincizaizuidashurudianyaxia，diangandianliufengzhizuida。

 

圖11. 電感電流與輸入電壓的關係

 

對於升壓型和升降壓型，隨著輸入電壓升高，交流分量電壓升高，但由於占空比對平均電流的影響
，直流分量電壓下降，如表1所suo示shi。直zhi流liu分fen量liang電dian壓ya占zhan主zhu導dao地di位wei，因yin此ci電dian感gan峰feng值zhi電dian流liu在zai最zui小xiao輸shu入ru電dian壓ya時shi處chu於yu額e定ding最zui大da值zhi。就jiu輸shu入ru電dian壓ya而er言yan，對dui於yu降jiang壓ya拓tuo撲pu，輸shu出chu電dian容rong的de設she計ji必bi須xu在zai最zui大da輸shu入ru電dian壓ya下xia完wan成cheng，升sheng降jiang壓ya型xing，則ze應ying使shi用yong最zui小xiao輸shu入ru電dian壓ya進jin行xing設she計ji。

 

輸出電容濾波器
 

ruqianmianbufensuoshu
，shuchuduandianrongguodahuiyinqigaolangyongdianliu
，daozhidiangandianliufengzhizaiqidongqijiandadaoxianliuyuzhi。yinci，zaibaochilianghaodezhuanhuanqiqidongxingnengdetongshi，bixushiyongheshidedianronglaishixianzuixiaoshuchudianyawenbo。

 

對於降壓轉換器

，COUT和峰峰值電壓紋波之間的關係由公式9定義。

 

 

對於升壓和反相降壓-升壓轉換器，COUT和峰峰值紋波之間的關係 由公式10定義。

 

 

qingzhuyi，zhexiegongshihulvelejishengyuanjianduidianronghediangandeyingxiang。genjuzhuanhuanqideedingguige，zhekeyibangzhushejizhexianzhishuchuduanzengjiadedianrong。guanjiankaolvshiranglvboshuipingheshuchulangyongdianliushixianlianghaopingheng。

 

 

在某些情況下，輸出電壓上會出現開關瞬變，如圖12所示。如果幅度顯著，這對輸出負載將是一個問題。開關尖峰主要由輸出軌上的電流（對於升壓型和升降壓型是二極管電流）的開關轉換引起。PCB銅(tong)線(xian)上(shang)的(de)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)可(ke)能(neng)會(hui)將(jiang)其(qi)放(fang)大(da)。由(you)於(yu)尖(jian)峰(feng)頻(pin)率(lv)比(bi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)高(gao)得(de)多(duo)，所(suo)以(yi)僅(jin)通(tong)過(guo)輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)無(wu)法(fa)減(jian)小(xiao)峰(feng)峰(feng)值(zhi)紋(wen)波(bo)，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)額(e)外(wai)的(de)濾(lv)波(bo)。

 

圖12. 輸出電壓紋波和開關瞬變

 

圖12zhongdelansexianbiaoshishengyazhuanhuanqizhongdiangandezhouqixingkaiguandongzuo，huangxianbiaoshishuchudianyawenbo。dangdiangandianliukaiguanzhuanhuanshi，wenbodianyaneikeguanchadaogaopinshunbian。

 

analog上有一篇很好的文章介紹了如何通過二級LC濾波來 降低高頻瞬態，其標題為"為開關電源設計二級輸出濾波器"
，作者是Kevin Tompsett。

 

 

huoqushuchudianyawenboshi
，zhengquedeceliangfangfayehenzhongyao。buzhengquedeceliangshezhikenengdaozhigaoyawenbodushubuzhunque
，congerkenengzaochengshuchudianrongguodusheji。henrongyifanbaguoduodianrongfangzaishuchuduandecuowu
，yiqijiangdidianyawenbo，ermeiyouyishidaozheyangzuodehuaichu。

 

Aldrick Limjoco 撰寫的題為"測量開關穩壓器中的輸出紋波和開關瞬變"的應用筆記對此應該有所幫助。詳情參見參考文獻。

 

 

對於升壓型和反相降壓-升壓型，電感電流直流分量電壓的增加產生的影響更大。在較低輸入電壓時

，占空比的增加導致電感電流均值大幅增加
，如表3公式中的(1-D)因子所示
，圖11也顯示了這一現象。這意味著必須顯著降低輸出電容的浪湧電流。通過增加公式7中的軟啟動時間(tSS)可實現這一點。

 

圖13. 電感電流與軟啟動時間的關係

 

大多數開關穩壓器(tSS)具ju有you軟ruan啟qi動dong特te性xing
，這zhe是shi為wei了le讓rang設she計ji人ren員yuan能neng夠gou調tiao整zheng啟qi動dong期qi間jian的de輸shu出chu電dian壓ya上shang升sheng時shi間jian。改gai變bian單dan個ge電dian阻zu的de值zhi常chang常chang是shi調tiao整zheng軟ruan啟qi動dong時shi間jian的de便bian利li方fang法fa。圖tu13顯示了升降壓型變器的啟動波形。軟啟動時間從4 ms變到16 ms時
，可以看到電感電流峰值顯著下降25%。

 

 

圖14顯示了改變開關頻率(fSW)對電感電流的影響。假定占空比D和輸出電流保持不變，則電感電流的交流分量電壓或ΔIL/2受fSW變化的影響，而直流分量電壓不受影響。因此，當開關頻率較高時， 與之成反比的電感電流峰值會較低。

 

圖14. 影響電感電流峰值的因素

 

 

ADP5070是一款單芯片、雙通道、升sheng壓ya和he反fan相xiang升sheng降jiang壓ya型xing穩wen壓ya器qi，通tong過guo打da嗝ge模mo式shi限xian流liu方fang案an提ti供gong過guo流liu保bao護hu。有you些xie客ke戶hu忘wang記ji考kao慮lv在zai輸shu出chu端duan放fang置zhi太tai多duo電dian容rong的de弊bi端duan，特te別bie是shi在zai高gao占zhan空kong比bi工gong作zuo條tiao件jian下xia或huo在zai最zui小xiao輸shu入ru電dian壓ya下xia。這zhe通tong常chang會hui導dao致zhi反fan相xiang輸shu出chu端duan發fa生sheng啟qi動dong問wen題ti，因yin為wei反fan相xiang降jiang壓ya-升壓調節器設計的限流閾值低於升壓調節器。

 

圖15可用來幫助應用工程師確定ADP5070輸出端允許多大的電容，以避免啟動問題。它使用電感峰值電流與輸出電流的直接關係（包括表3公式中的浪湧），顯示了不同輸入和輸出電壓組合下的最大COUT與最大IOUT的關係曲線。利用公式9或公式10考慮最佳VOUT紋波性能，將有助於設計輸出電容限值。

 

兩張圖均基於調節器的最短tSS和限流閾值計算。所選外部元件的電流處理能力比調節器高得多。換言之，如果tSS增加，這些圖中的數值肯定會變大。

 

圖15. 最大COUT與最大負載電流的關係

 

對於需要更高輸出負載電流的應用，應考慮ADP5071。對於升壓和反相降壓-升壓調節器，ADP5071設計的限流閾值均高於ADP5070。

 

 

圖16顯示了反相調節器的電感感應電壓和電流的啟動波形
，而圖17顯示了利用表3中公式計算出的電感電流數據和實測基準數據。

 

圖16. 啟動時的電感電流和感應電壓

 

圖17. 電感電流：計算值與測量值

 

數據表明，如果tSS增加，浪湧電流會大大降低，從而降低電感峰值電流。當tSS為4 ms時，反相調節器已經達到0.6 A的限流閾值，並有發生啟動問題的趨勢。補救辦法是將tSS增加到16 ms，以提供足夠的電感峰值電流裕量。

 

 

本ben文wen已yi闡chan明ming，仔zai細xi設she計ji輸shu出chu濾lv波bo電dian容rong對dui於yu開kai關guan轉zhuan換huan器qi設she計ji十shi分fen重zhong要yao。深shen入ru了le解jie影ying響xiang啟qi動dong期qi間jian電dian感gan峰feng值zhi電dian流liu的de因yin素su有you助zhu於yu避bi免mian啟qi動dong問wen題ti。升sheng壓ya和he反fan相xiang降jiang壓ya-升壓轉換器更容易出現這些問題
，特別是那些使用打嗝模式限流方案的轉換器。

 

dianganfengzhidianliuheshuchulangyongdianliuzhijiandezhijieguanxiyigeichu。dangshejishuchudianrongshi，duizhaoxianliuyuzhikaolvdianganfengzhidianliujianghenyoubangzhu。duiyuxiangtongdeshuchutiaojian，tongguozengjiaruanqidongshijianhuozhuanhuanqikaiguanpinlvkeyijiangdishuchulangyongdianliu。

 

使用ADI公司的ADP5070/ADP5071/ADP5073/ADP5074/ADP5075 係列單芯片開關穩壓器設計DC-DC開關轉換器時
，本文可作為參考資料。

 

 

R.B. Erickson和D. Maksimovic。電源電子基礎，第二版。Springer
，2001年。

 

Kirchhoff, Gustav. “基爾霍夫電流定律.”電子教程。

 

Limjoco, Aldrick S. 應用筆記AN-1144“測量開關穩壓器的輸出紋波和開關瞬變. ”。ADI公司，2013年1月。

 

Tompsett, Kevin. “設計開關電源中使用的二級輸出濾波器”。ADI公司，2016年2月。