本應(yīng)用筆記解釋了如何通過選擇合適的外部元件來實(shí)現(xiàn)為其他模塊供電的升壓，從而構(gòu)建集成升壓轉(zhuǎn)換器功率級。

介紹

當(dāng)系統(tǒng)具有高功率要求時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器始終是首選。它們提供高效率和緊湊的PCB解決方案尺寸，以實(shí)現(xiàn)令人滿意的電源。本應(yīng)用筆記提供了一些公式，以指導(dǎo)升壓開關(guān)穩(wěn)壓器在實(shí)現(xiàn)升壓電壓時(shí)所需的外部元件的選擇。

升壓轉(zhuǎn)換器配置

作為圖1所示的基本升壓開關(guān)穩(wěn)壓器配置，當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)在時(shí)鐘開關(guān)周期開始時(shí)導(dǎo)通時(shí)，高邊開關(guān)同時(shí)關(guān)斷。VLX等于接地電壓;當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)閉時(shí)，高邊開關(guān)在一個(gè)時(shí)鐘開關(guān)周期的靜止時(shí)間間隔內(nèi)導(dǎo)通，V.LX等于輸出電壓 V外，忽略了開關(guān)電流I引入的高端和低端功率場效應(yīng)晶體管兩端的壓降房 協(xié)和我LS分別流經(jīng)循環(huán)。出現(xiàn)在V上的方波信號(hào)LX通過LC濾波器，產(chǎn)生恒定輸出電壓V外，由 V 的占空比 D 控制LX.

同時(shí)，在低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間間隔內(nèi)，電感電流ILX斜坡上升以存儲(chǔ)電感的能量，與高端開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間間隔相反，ILX斜坡下降以傳遞存儲(chǔ)在電感器內(nèi)的能量，以維持輸出負(fù)載。

圖1.升壓轉(zhuǎn)換器配置

圖2.升壓轉(zhuǎn)換器波形

選擇電感器

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，電源開關(guān)在一個(gè)開關(guān)周期中的每個(gè)狀態(tài)都會(huì)消耗功率損耗。增加的電感電流仍然等于電感電流的降低。占空比由以下公式排列：

其中參數(shù)為：
VOUT：穩(wěn)壓輸出電壓
VIN：電源輸入電壓
VDS1：HS 開關(guān)兩端的壓降
VDS2：LS 開關(guān)兩端的壓降

占空比僅由輸入電壓和輸出電壓決定，忽略V時(shí)電除塵器和 V電除塵器:

較高的電感值產(chǎn)生較小的電流紋波ΔILX和峰值電流值 I峰，這決定了開關(guān)穩(wěn)壓器IC輸出的最大負(fù)載電流，同時(shí)感應(yīng)出較小的輸入電壓紋波。我峰應(yīng)小于 IC 可以提供的 ILIM 的最小值。

開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊提供了電感選擇范圍，通常為固定標(biāo)稱值pm容差%，器件內(nèi)部斜率補(bǔ)償針對在可接受范圍內(nèi)選擇的外部電感值進(jìn)行了優(yōu)化。選擇電感值后，峰值電流得出為直流輸入負(fù)載加上半電感紋波電流。

電感紋波電流和峰值電流表示為：

其中參數(shù)為：
VIN：電源輸入電壓
D：由公式（2）得出的占空比
fsw：系統(tǒng)上的開關(guān)頻率
L：電感值
ILOAD：IC所需的負(fù)載電流

流過電感器的均方根 （RMS） 電流為：

其中參數(shù)為：
ILOAD：IC所需的負(fù)載電流
ΔILX：電感紋波電流計(jì)算值由公式（3）計(jì)算

選擇具有較高RMS額定電流的電感器，以避免過熱影響效率和性能。數(shù)據(jù)手冊中提到的電感的飽和電流應(yīng)大于I的最大值峰在給定的 V 范圍內(nèi)在使電感值不會(huì)下降太多一定數(shù)字。電感值越小，成本越低，節(jié)省PCB面積，但電流紋波越大，傳導(dǎo)的交流磁芯功率損耗就越多，再加上電感DCR值的傳導(dǎo)功率損耗。電感器上的巨大功耗也會(huì)加熱整個(gè)緊湊的解決方案區(qū)域，從而降低效率，特別是對于大輸入平均電流。

選擇輸入電容

輸入電壓紋波由穩(wěn)態(tài)時(shí)的電容元件電容和等效串聯(lián)電阻（ESR）貢獻(xiàn)。使用低 ESR X7R 陶瓷電容器，以最大限度地降低輸入電壓紋波。

具有特定輸入電壓紋波的輸入電容表示為：

其中參數(shù)為：
ΔILX：電感紋波電流計(jì)算值由公式（3）計(jì)算
fsw：系統(tǒng)上的開關(guān)頻率
ΔVIN：輸入電壓紋波要求

ESR的輸入電壓紋波貢獻(xiàn)表示為：

其中參數(shù)為：
ΔILX：電感紋波電流計(jì)算值來自公式（3）
RESR：輸入電容器的等效串聯(lián)電阻

實(shí)際陶瓷電容應(yīng)大于上述計(jì)算值，以便通過直流偏置電壓降額對電容損耗產(chǎn)生一些裕量。請遵循數(shù)據(jù)手冊中的元件選擇指南，了解穩(wěn)定輸入電壓所需的最小陶瓷電容。最好并聯(lián)放置一個(gè)0.1μF陶瓷電容器，以去耦輸入端的高頻噪聲。添加鋁大容量電容，在負(fù)載瞬態(tài)期間提供大電流，并保持允許的輸入電壓偏差。

選擇輸出電容

當(dāng)高端開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)IC輸出路徑的開關(guān)電流攜帶開關(guān)噪聲，輸出電容有效濾除大部分噪聲，降低輸出電壓紋波。負(fù)載電流越大，輸出端的電壓紋波越大。將輸出電容盡可能靠近開關(guān)穩(wěn)壓器放置。

指定輸出電壓紋波的輸出電容計(jì)算如下：

其中參數(shù)為：
ILOAD：IC所需的負(fù)載電流
D：由公式（2）得出的占空比
fsw：系統(tǒng)上的開關(guān)頻率
ΔVOUT：輸出電壓紋波要求

ESR的輸出電壓紋波貢獻(xiàn)表示為：

其中參數(shù)為：
ILOAD：IC所需的負(fù)載電流
D：由公式（2）得出的占空比
ΔILX：電感紋波電流計(jì)算值由公式（3）計(jì)算
RESR：輸出電容器網(wǎng)絡(luò)的等效串聯(lián)電阻

當(dāng)大紋波電流流過輸出電容器時(shí)，使用低 ESR 陶瓷電容器以最小化輸出電壓紋波。X7R電介質(zhì)材料具有更好的溫度特性，可處理電容器上隨溫度升高而引起的較小電容變化。

調(diào)整輸出電壓

輸出電壓由固定的內(nèi)部電阻分壓器設(shè)置，或由外部電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)（如果適用），并反饋給開關(guān)穩(wěn)壓器IC。當(dāng)前的I室溫流過頂部電阻器 RT應(yīng)大于漏電流I的100倍FB進(jìn)入IC的反饋引腳以保持輸出端的電壓精度。增加一個(gè)小的前饋電容CFF與頂部電阻器 R 并聯(lián)T在反饋環(huán)路中產(chǎn)生升壓零點(diǎn)，以優(yōu)化相位裕量。

按照數(shù)據(jù)手冊選擇推薦的底部電阻器 RB在圖3中，以kΩ為單位為較小的值。然后，頂部電阻RT計(jì)算公式為：

其中參數(shù)為：
RB：可調(diào)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)中的底部電阻，如數(shù)據(jù)手冊所示
VOUT：所需輸出電壓
VFB：調(diào)節(jié)反饋電壓

圖3.可調(diào)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)配置。

功耗

在特定工況下，輸出功率P外固定在給定的輸出電壓 V 下外和負(fù)載電流 I外，并且系統(tǒng)的功率損耗 PLOSS 越小，效率η越高 （η = P外/（P外+ P損失)).電感的功率損耗包括直流傳導(dǎo)損耗（I外2×·EC3）和交流磁芯損耗，由電感器制造商在公式（11）中忽略的特定電感功率模型上提供。

開關(guān)穩(wěn)壓器IC上的功耗表示為：

其中參數(shù)為：
VOUT：穩(wěn)壓輸出電壓
D：由公式（2）得出的占空比
ILOAD：IC所需的負(fù)載電流
η：調(diào)節(jié)器的效率
RDCR：電感直流電阻

器件內(nèi)部的功耗轉(zhuǎn)化為熱量，提高了結(jié)溫。芯片TJ的結(jié)溫超過工作溫度T 的最大極限杰馬克斯在數(shù)據(jù)手冊中注明，并降低使用壽命并影響產(chǎn)品可靠性。

估算給定環(huán)境溫度T下的結(jié)溫一個(gè):

其中參數(shù)為：
TA：環(huán)境溫度
ΘJA：數(shù)據(jù)手冊中建議的結(jié)點(diǎn)對環(huán)境的熱阻
PLOSS：公式（11）中器件內(nèi)部的功率損耗

審核編輯：郭婷