升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功率電子領(lǐng)域非常重要，但是電感值的選擇并不總是像通常假設(shè)的那樣簡單。在 dc - dc 升壓轉(zhuǎn)換器中，所選電感值會影響輸入電流紋波、輸出電容大小和瞬態(tài)響應(yīng)。選擇正確的電感值有助于優(yōu)化轉(zhuǎn)換器尺寸與成本，并確保在所需的導(dǎo)通模式下工作。本文講述的是在一定范圍的輸入電壓下，計(jì)算電感值以維持所需紋波電流和所選導(dǎo)通模式的方法，并介紹了一種用于計(jì)算輸入電壓上限和下限模式邊界的數(shù)學(xué)方法。

導(dǎo)通模式

升壓轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通模式由相對于直流輸入電流 （IIN） 的電感紋波電流峰峰值 （ΔIL） 的大小決定。這個(gè)比率可定義為電感紋波系數(shù) （KRF）。電感越高，紋波電流和 KRF 就越低。

（1） ， 其中 （2）

在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 中，正常開關(guān)周期內(nèi)，瞬時(shí)電感電流不會達(dá)到零 （圖1）。因此，當(dāng) ΔIL 小于 IIN 的2倍或 KRF 《2時(shí)，CCM 維持不變。MOSFET 或二極管必須以 CCM 導(dǎo)通。這種模式通常適用于中等功率和高功率轉(zhuǎn)換器，以最大限度地降低元件中電流的峰值和均方根值。當(dāng) KRF 》 2 且每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都允許電感電流衰減到零時(shí)，會出現(xiàn)非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） （圖2）。直到下一個(gè)開關(guān)周期開始前，電感電流保持為零，二極管和 MOSFET 都不導(dǎo)通。這一非導(dǎo)通時(shí)間即稱為 tidle。DCM 可提供更低的電感值，并避免輸出二極管反向恢復(fù)損耗。

當(dāng) KRF = 2 時(shí)，轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為處于臨界導(dǎo)通模式 （CrCM） 或邊界導(dǎo)通模式 （BCM）。在這種模式下，電感電流在周期結(jié)束時(shí)達(dá)到零，正如 MOSFET 會在下一周期開始時(shí)導(dǎo)通。對于需要一定范圍輸入電壓 （ VIN）的應(yīng)用，固定頻率轉(zhuǎn)換器通常在設(shè)計(jì)上能夠在最大負(fù)載的情況下在指定 VIN 范圍內(nèi)，以所需要的單一導(dǎo)通模式 （CCM 或 DCM） 工作。隨著負(fù)載減少，CCM 轉(zhuǎn)換器最終將進(jìn)入 DCM 工作。在給定 VIN 下，使導(dǎo)通模式發(fā)生變化的負(fù)載就是臨界負(fù)載（ICRIT）。在給定 VIN 下，引發(fā) CrCM / BCM 的電感值被稱為臨界電感（LCRIT），通常發(fā)生于最大負(fù)載的情況下。

紋波電流與 VIN

眾所周知，當(dāng)輸入電壓為輸出電壓 （VOUT） 的一半時(shí)，即占空比 （D） 為50％時(shí) （圖3），在連續(xù)導(dǎo)通模式下以固定輸出電壓工作的 DC－DC 升壓轉(zhuǎn)換器的電感紋波電流最大值就會出現(xiàn)。這可以通過數(shù)學(xué)方式來表示，即設(shè)置紋波電流相對于 D 的導(dǎo)數(shù) （切線的斜率） 等于零，并對 D 求解。簡單起見，假定轉(zhuǎn)換器能效為100％。

根據(jù) （3）、 （4） 和 （5），

并通過 CCM 或 CrCM 的電感伏秒平衡 （6），

則 （7）。

將導(dǎo)數(shù)設(shè)置為零， （8）

我們就能得出 （9）。

CCM 工作

為了選擇 CCM 升壓轉(zhuǎn)換器的電感值 （L），需要選擇最高 KRF 值，確保整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)都能夠以 CCM 工作，并避免峰值電流受 MOSFET、二極管和輸出電容影響。然后計(jì)算得出最小電感值。KRF 最高值通常選在0.3和0.6之間，但對于 CCM 可以高達(dá)2.0。如前所述，當(dāng) D = 0.5 時(shí)，出現(xiàn)紋波電流 ΔIL 最大值。那么，多少占空比的情況下會出現(xiàn) KRF 最大值呢？我們可以通過派生方法來求得。

假設(shè) η = 100%， 則 （10），

然后將（2）、（6）、（7） 和 （10） 代入（1） ，得出：

（11）

（12）。

對 D 求解，可得 （13）。

D = 1 這一偽解可被忽略，因?yàn)樗诜€(wěn)態(tài)下實(shí)際上是不可能出現(xiàn)的 （對于升壓轉(zhuǎn)換器，占空比必須小于1.0）。因此，當(dāng) D =? 或 VIN = ?VOUT 時(shí)的紋波因數(shù) KRF 最高，如圖4所示。使用同樣的方法還能得出在同一點(diǎn)的最大值 LMIN、LCRIT 和 ICRIT。

對于 CCM 工作，最小電感值 （LMIN）應(yīng)在最接近 ? VOUT 的實(shí)際工作輸入電壓 （VIN（CCM）） 下進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)應(yīng)用的具體輸入電壓范圍，VIN（CCM） 可能出現(xiàn)在最小 VIN、最大 VIN、或其間的某個(gè)位置。解方程 （5） 求 L，并根據(jù) VIN（CCM） 下的 KRF 重新計(jì)算，可得出

（14），其中 VIN（CCM） 為最接近?VOUT 的實(shí)際工作 VIN。

對于臨界電感與 VIN 和 IOUT 的變化，KRF = 2，可得出

（15）。

在給定 VIN 和 L 值的條件下，當(dāng) KRF = 2時(shí)，即出現(xiàn)臨界負(fù)載 （ICRIT）：

（16）

DCM 工作

如圖5所示，在一定工作 VIN 和輸出電流 （IOUT） 下的電感值小于 LCRIT 時(shí)，DCM 模式工作保持不變。對于 DCM 轉(zhuǎn)換器，可選擇最短的空閑時(shí)間以確保整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)均為 DCM 工作。tidle 最小值通常為開關(guān)周期的3％-5％，但可能會更長，代價(jià)是器件峰值電流升高。然后采用 tidle 最小值來計(jì)算最大電感值 （LMAX）。LMAX 必須低于 VIN 范圍內(nèi)的最低 LCRIT。對于給定的 VIN，電感值等于 LCRIT （tidle= 0） 時(shí)引發(fā) CrCM。

為計(jì)算所選最小空閑時(shí)間 （tidle（min）） 的 LMAX，首先使用 DCM 伏秒平衡方程求出 tON（max） （所允許的 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間最大值） 與 VIN 的函數(shù)，其中 tdis 為電感放電時(shí)間。

（17），其中

（18）

可得出

（19）。

平均 （直流） 電感電流等于轉(zhuǎn)換器直流輸入電流，通過重新排列 （17），可得出 tdis 相對于 tON 的函數(shù)。簡單起見，我們將再次假設(shè) PIN = POUT。

（20） ，其中 （21）。

將方程 （3）、（5）、（10）、（19） 和 （21） 代入 （20），求得 VIN （DCM） 下的 L

（22）。

LMAX 遵循類似于 LCRIT 的曲線，且同在 VIN = ?VOUT 時(shí)達(dá)到峰值。為確保最小 tidle，要計(jì)算與此工作點(diǎn)相反的實(shí)際工作輸入電壓 （VIN （DCM）） 下的最低 LMAX 值。根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際輸入電壓范圍，VIN（DCM） 將等于最小或最大工作 VIN。若整體輸入電壓范圍高于或低于 ? VOUT（含? VOUT），則 VIN（DCM） 是距 ? VOUT 最遠(yuǎn)的輸入電壓。若輸入電壓范圍覆蓋到了 ? VOUT，則在最小和最大 VIN 處計(jì)算電感，并選擇較低 （最差情況下） 的電感值。或者，以圖表方式對 VIN 進(jìn)行評估，以確定最差情況。

輸入電壓模式邊界

當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流小于 ICRIT 與 VIN 的最大值時(shí)，如果輸入電壓增加到高于上限模式邊界或下降到低于下限模式邊界，即 IOUT 大于 ICRIT 時(shí)，則將引發(fā) CCM 工作。而 DCM 工作則發(fā)生于兩個(gè) VIN 的模式邊界之間，即 IOUT 小于 ICRIT 時(shí)。要想以圖表方式呈現(xiàn) VIN 下的這些導(dǎo)通模式邊界，在相同圖表中繪制臨界負(fù)載 （使用所選電感器） 與輸入電壓和相關(guān)輸出電流的變化曲線。然后在 X 軸上找到與兩條曲線相交的兩個(gè) VIN 值 （圖6）。

要想以代數(shù)方式呈現(xiàn) VIN 的模式邊界，首先將臨界負(fù)載的表達(dá)式設(shè)置為等于相關(guān)輸出電流，以查找交點(diǎn)：

（23）。

這可以重寫為一個(gè)三次方程，KCM 可通過常數(shù)計(jì)算得出

（24） 其中

（25）。

這里，三次方程通式 x3 + ax2 + bx + c = 0 的三個(gè)解可通過三次方程的三角函數(shù)解法得出 ［1］ ［2］。在此情況下，x1 項(xiàng)的“b”系數(shù)為零。我們將解定義為矢量 VMB。

我們知道

（26）、

（27）、 以及

（28），

（29）。

由于升壓轉(zhuǎn)換器的物理限制，任何 VMB ≤ 0或VMB 》 VOUT 的解均可忽略。兩個(gè)正解均為模式邊界處 VIN 的有效值。

模式邊界 – 設(shè)計(jì)示例

我們假設(shè)一個(gè)具有以下規(guī)格的 DCM 升壓轉(zhuǎn)換器：

VOUT = 12 V

IOUT = 1 A

L = 6 μH

FSW = 100 kHz

首先，通過 （25） 和 （28） 計(jì)算得出 KCM 和 θ：

.

將 VOUT 和計(jì)算所得的 θ 值代入 （29），得出模式邊界處的 VIN 值：

.

忽略偽解 （-3.36 V），我們在 4.95 V 和 10.40 V 得到兩個(gè)輸入電壓模式邊界。這些計(jì)算值與圖7所示的交點(diǎn)相符。

結(jié)論

電感值會影響升壓轉(zhuǎn)換器的諸多方面，若選擇不當(dāng)，可能會導(dǎo)致成本過高、尺寸過大、或性能不佳。通過了解電感值、紋波電流、占空比和導(dǎo)通模式之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)人員就能夠確保輸入電壓范圍內(nèi)的所需性能。

責(zé)任編輯：haq