【導讀】可調式直流電源一般配有開(kāi)關(guān)轉換器，用于提供穩定的輸出電壓，并帶有明顯的紋波。如果將開(kāi)關(guān)轉換器集成到 PCB 上，那么輸出中就會(huì )包含一些開(kāi)關(guān)噪聲。電源中有幾個(gè)部分很難在板載升壓轉換器中實(shí)現，在示波器上查看波形時(shí)，輸出中的噪聲可能會(huì )非常強烈。
本文要點(diǎn)
●降壓和升壓轉換器的波形總是帶有一些紋波和噪聲，這是功率轉換器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作造成的。
●與降壓轉換器一樣，升壓轉換器可以在連續或非連續模式下工作。
●一旦轉換器進(jìn)入非連續模式，波形就會(huì )從典型的紋波形狀變?yōu)殡姼须娏鳛榱愕牟ㄐ?，并且可能出現很強的瞬態(tài)效應。
可調式直流電源一般配有開(kāi)關(guān)轉換器，用于提供穩定的輸出電壓，并帶有明顯的紋波。如果將開(kāi)關(guān)轉換器集成到 PCB 上，那么輸出中就會(huì )包含一些開(kāi)關(guān)噪聲。電源中有幾個(gè)部分很難在板載升壓轉換器中實(shí)現，在示波器上查看波形時(shí)，輸出中的噪聲可能會(huì )非常強烈。
升壓轉換器的波形包括兩部分：額定（平均）直流輸出和開(kāi)關(guān)波形產(chǎn)生的噪聲，其表現為圍繞額定直流值的紋波。這是升壓轉換器在連續模式下輸出電壓/電流的基本形式。還要考慮到非連續模式，在該模式下，由于占空比和 R/L 上升率不足，轉換器會(huì )失去調節。借助得心應手的仿真工具，設計人員可以從升壓轉換器的波形仿真中確定工作模式，并通過(guò)實(shí)驗來(lái)找到確保穩定供電的器件參數值。
升壓轉換器波形
升壓轉換器的輸出波形取決于轉換器的工作模式。開(kāi)關(guān)穩壓器有兩種可能的工作模式：連續和非連續工作模式。這兩種模式下的升壓轉換器波形是不同的，可以通過(guò)觀(guān)察電感電流來(lái)識別。在觀(guān)察輸出電流時(shí)要仔細，因為當存在無(wú)功（高電容）器件時(shí)，在復雜的負載網(wǎng)絡(luò )中可能存在一些補償。
對調節器電路進(jìn)行瞬態(tài)分析仿真，或者從示波器收集測量結果，就能確定轉換器的工作模式。
1. 連續導通模式
連續導通模式是開(kāi)關(guān)穩壓器最簡(jiǎn)單的運行模式。在這種模式下，電感中的電流（也就是輸出電流）在開(kāi)關(guān)期間始終不會(huì )下降到 0；不過(guò)在開(kāi)關(guān)期間會(huì )表現出一些振蕩。這是因為當開(kāi)關(guān)元件激活時(shí)，轉換器的上升/下降時(shí)間非常長(cháng)，所以輸出電流可以通過(guò)放電電容來(lái)維持?？梢詫⑺醋魇且环N帶有一些附加噪聲的偽穩態(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)生穩定直流電所需的濾波水平。
升壓轉換器在連續導通模式下工作時(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(guān)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(lèi)似，具體取決于負載網(wǎng)絡(luò )中無(wú)功阻抗的水平。
然后通過(guò)調整 PWM 驅動(dòng)器的占空比來(lái)調制輸送到負載的電源，這也將改變波形。例如，通過(guò)降低占空比 (D)，電流波形的上升時(shí)間將縮短，而在 (1 - D) 區間內的下降時(shí)間將增加。如果占空比對于所需的調節水平來(lái)說(shuō)太低，電感電流波形最終將下降到 0，轉換器將在非連續導通模式下工作。
2. 非連續導通模式
進(jìn)入非連續導通模式之后，波形將表現為一個(gè)不連續的函數，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(lái)平滑，但紋波可能大得令人無(wú)法接受，而且設計的功率因數也會(huì )很低。此外，這些設計往往會(huì )在電感波形的下降沿表現出一些瞬態(tài)振鈴，因為系統不再被周期性地驅動(dòng)，導致輸出電流波形上出現較大的欠阻尼振蕩。
通常情況下，無(wú)法進(jìn)入這種狀態(tài)是因為占空比突然變得太短。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。
連續導通模式 (CCM) 和非連續導通模式 (DCM) 下的紋波電流調節
這也可能是由于設計中出現了一個(gè)無(wú)意的錯誤，即電感設計得太小，因此對于給定的占空比來(lái)說(shuō)，轉換器中的下降時(shí)間太短。當電路設計人員犯了這個(gè)錯誤時(shí)，他們往往會(huì )發(fā)現無(wú)法僅僅通過(guò)增加占空比來(lái)重新進(jìn)入連續導通模式；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(wú)法達到預期的輸出。
有四種方法可以使設計重新進(jìn)入連續導通模式，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(cháng)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(guò)濾。
3. 在濾波電容上增加一個(gè)非常小的電阻，以延長(cháng)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(kāi)關(guān)頻率，如此一來(lái)，盡管在非連續的升壓轉換器波形中有較長(cháng)的關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)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計中可能實(shí)施起來(lái)有些困難。值得注意的是，如果采用了第 4 種方法，就無(wú)需考慮前兩種方法，這也是現代數字和無(wú)線(xiàn)系統的電源設計在很高的 kHz 或 MHz 開(kāi)關(guān)頻率下運行，而較簡(jiǎn)單的直流設計可以繼續在低頻率（約 100kHz）下運行的眾多原因之一。
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