R课堂 | 工作条件对升压型DC-DC转换器输出纹波的影响

・由于升压型DC-DC转换器的输出电流是脉冲电流，因此其高频噪声是无法通过ESL较大的大容量电容器消除的，故需要在最靠近电源输出端的位置添加小型小容量陶瓷电容器。

・对于升压型DC-DC转换器而言，即使提高电感值并降低电感纹波电流，也不会影响输出纹波电压的大小。

・升压型DC-DC转换器的输出纹波电压大小与输出电流值成正比，在输出电流最大时最大，但即使在无负载时也不会变为零，反而还有可能略有增加。

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升压型DC-DC转换器的输出纹波电压波形

改变电感值对输出纹波电压的影响

输出电流的变化对纹波电压的影响

本文介绍第二个主题：“工作条件对升压型DC-DC转换器输出纹波的影响”。

降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异

工作条件对升压型DC-DC转换器输出纹波的影响

关于升压电源输出纹波电压的波形和大小的依赖性，将分“升压型DC-DC转换器的输出纹波电压波形”、“改变电感值对输出纹波电压的影响”和“输出电流的变化对纹波电压的影响”三部分进行解释说明。

升压型DC-DC转换器的输出纹波电压波形

降压型DC-DC转换器的输出纹波电压波形由于充放电电流以三角波状线性增减而呈圆弧形。对于升压型DC-DC转换器而言，充电电流是梯形的，放电电流是方形恒流状态的。恒流充电产生的电压是三角波状的电压。

但是，从充电到放电、以及从放电到充电的转换过程中电流变化速度比降压型要快得多。由于电流的变化速度非常快，电容器的ESL分量中会产生尖峰状的微分电压，高频噪声分量变得非常大。该尖峰状噪声的频率分量是非常高的频率，以输出电容器所用的数十μF级的大容量电容器的频率特性，是无法消除的。

要想消除数十MHz频段的高频噪声，需要在最靠近高边开关输出端的位置连接0.1μF以下的高频特性优异的小型小容量陶瓷电容器，以将高频噪声旁路。

改变电感值对输出纹波电压的影响

对于降压转换器而言，提高电感值可以使电感纹波电流减小，从而降低输出电容器的充放电电荷量，最终使输出纹波减小。

因此，如果需要低噪声电源，在设计时就需要较大的电感值。对于升压转换器来说，提高电感值也会减小电感纹波电流。这会使对于输出电容器的充电电流脉冲峰值变小，但由于平均电流值不变，因此对电容器充放电的电荷量也不会发生变化。

所以，升压转换器即使通过提高电感值来减小电感纹波电流，纹波电压也不会减小，电感值的大小对纹波电压的大小没有影响。当电感值减小时，充电时的电流变化量会变大，使充电时的电压波形呈圆弧状，但在放电时，由于电感电流对纹波电压没有影响，所以电压波形呈随负载电流线性下降的形状。

额定电流相同的电感器，提高电感值会增大电感器的物理尺寸，成本会更高。当负载电流变化时，需要增加或减小电感电流来跟随其变化，但如果纹波电流较小，则电感电流的增减变化速度也会较缓慢。

因此对负载电流增减变化的跟随速度也会变慢。考虑到降低成本和负载瞬态响应特性，升压型DC-DC转换器的电感值应该越小越好。

输出电流的变化对纹波电压的影响

接下来我们来了解一下纹波电压对负载电流大小的依赖性。对于降压型DC-DC转换器而言，即使输出电流发生变化，纹波电压也不会变化，但升压型DC-DC转换器则不同，其纹波电压对输出电流的依赖性很强。

当负载电流IOUT较大时，充电脉冲峰值也较高，对CO的充放电电流会增加，纹波电压也会变大；但当负载电流IOUT较小时，对CO的充放电电流减少，纹波电压也会变小，在无负载时几乎为0。

升压转换器的纹波电压与输出电流几乎成正比地增加或减少，因此需要确认纹波电压的大小在最大负载电流时是否会引起问题。

当负载电流进一步减小变为无负载状态时，输出电容器不再放电，电压不再下降，因此不再需要能量供给，开关工作变为停止状态。由于输出电容器没有充放电，因此电压不会波动，输出纹波电压变为零。

实际上，即使在无负载状态下，受流过电压设置电阻等的电流影响，电压也会渐渐下降，因此负载电流有时也会使用开关以恢复下降的电压。此时，低边开关在最短的时间内进行开关动作，以提供最小的能量，提供的电荷量会而导致电压上升，并会跳过下一次开关动作，直到电压下降到一定值的程度。即使在无负载的状态下，该动作也会产生很小的纹波电压。

在轻负载时，开关动作带来的电源电路自身功耗会变得大于输出功率，导致效率变差。为了改善这一点，有些产品具有称为“轻负载模式”的功能，利用该功能，可以切换到工作模式以改善轻负载时的效率。

不是在轻负载时以最短导通时间进行开关动作，而是通过延长导通时间以增加1次开关的能量。通过增加对输出电容器的充电量，提高电压上升程度，延长到电压下降时所需的时间，从而延长开关周期。

这样可以大大减少开关次数，从而减少自身功耗，因此可提高轻负载时的效率。但是，需要注意的是，采用这种控制方式时，会因每次开关的充放电量增加而导致纹波电压变大。

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