?升壓轉換器中的輸出電壓和二極管電流

了解輸出電壓和二極管電流如何影響升壓開關調節器的性能。

在前面的文章中，我們使用圖1中的LTspice示意圖來探討基本升壓DC/DC轉換器的設計決策和操作細節?，F在我們將通過分析其輸出組件的電氣行為來繼續我們對升壓轉換器拓撲結構的檢查。

低壓示意圖。

?圖1。LTspice中使用的升壓轉換器示意圖。

輸出電壓和紋波

該電路當前被配置為將2.5V輸入電壓轉換為5V輸出電壓；如圖2所示，實際輸出電壓為4.94V。如果我們想要微調輸出電壓，我們可以對占空比進行小的調整，但實際上不需要——實際的實施方式將使用反饋來確保VOUT保持非常接近額定值，盡管負載電流和輸入電壓發生變化。

升壓轉換器的輸出電壓以LTspice表示。疊加光標框將輸出電壓顯示為數字值。

?圖2。圖1中升壓轉換器的輸出電壓。

啟動后，輸出電容器充電，輸出電壓向其最終值逐漸增加。圖3顯示了四個不同COUT值的啟動行為。（在我的原理圖中，COUT由一個電容器C1表示；在物理電路中，COUT通常由多個電容器組成。）

LTspice圖顯示四個不同輸出電容值的升壓轉換器啟動行為。

?圖3。四個不同COUT值的升壓轉換器啟動行為：5μF（綠色軌跡）、20μF（藍色軌跡）、47μF（紅色軌跡）和100μF（青色軌跡）。

輸出電容值影響啟動后達到可接受的輸出電壓所需的時間量。如果您有一個需要快速啟動的應用程序，那么您可能需要使用更小的電容器來減少COUT。

讓我們回到我們原來的47μF COUT，然后來看一下紋波（圖4）。

升壓波形圖。

?圖4。耦合輸出=μF。 

我們模擬的峰峰值紋波小于1mV，這是非常低的。我們將在下一節討論為什么。

然而，在此之前，我們首先為這種緊湊、低功率電路提供了大量的輸出電容。圖5顯示了當我們將COUT降低到4.7μF時會發生什么。

兩個不同輸出電容值下升壓轉換器輸出紋波的LTspice圖。

?圖5。耦合輸出=4.7μF（綠色軌跡）和耦合輸出=47μF（藍色軌跡）的輸出紋波。

如圖所示，紋波隨著輸出電容的減少而增加。

等效串聯電阻

我們的模擬電路缺乏我們在實際升壓轉換器中預期的非理想性，因此上面的輸出紋波是不切實際的低。為了了解升壓轉換器在實際生活中的表現，我們需要考慮電容器的等效串聯電阻（ESR）的作用，該電阻產生紋波電壓，而不依賴于電容量。

我們在上一篇文章中看到，我們的小電感導致了更多的電感電流紋波。當這個大ΔIL進入輸出電容器時，它通過電容器的等效串聯電阻會按比例產生大的電壓降。這些電壓降會導致輸出。

圖6說明了具有零等效串聯電阻（綠色軌跡）的47μF輸出電容和具有10 mΩ等效串聯電阻（藍色軌跡）的47μF輸出電容之間的輸出紋波差異。

兩個不同ESR值下升壓轉換器電壓紋波的LTspice圖。

?圖6。耦合=47μF。

輸出電容器的等效串聯電感也會影響輸出紋波。這是一個復雜的主題，我今天不打算深入討論，但如果你有興趣了解更多，我建議Texas Instruments應用程序注釋題為“測量和理解Boost Converter的輸出電壓紋波”。

二極管電流

今天我們要討論的還有另外一個輸出組件：二極管。

我們可以從圖7中看到，升壓轉換器中的平均二極管電流對應于負載電流，就像降壓轉換器中的平均電感電流一樣。這并不奇怪：如果我們比較升壓和降壓組件的安排，我們會發現升壓有二極管，降壓有轉換器。

顯示升壓轉換器二極管電流和負載電流的LTspice圖。疊加光標框顯示平均二極管電流值。

?圖7。圖1中升壓轉換器平均二極管電流和負載電流的比較。

反向恢復電流

如果您想知道圖6和圖7中的負向尖峰，那么它們是由在開關閉合之后流過二極管和開關的電流的快速突發引起的。您可以在下面的圖8中更清楚地看到這種行為。

升壓轉換器開關電壓和二極管電流的LTspice圖。

?圖8。開關電壓（紅色軌跡）和二極管電流（綠色軌跡）。

尖峰電流被報告為負，在這個模擬的上下文中表明它是反向（即陰極到陽極）二極管電流。這種電流與被稱為反向恢復的現象相關，這種現象發生在二極管的正向偏置電壓快速轉變為反向偏置電壓時。

如上所述，如果在電容器中加入ESR，反向恢復電流會對輸出電壓產生重大影響；電流的突發向上流過輸出電容器，并且被帽的電阻轉換為負向尖峰電壓。如果你增加等效串聯電感，情況會變得更糟，這會對像這樣的尖峰中包含的非常高的頻率產生特別大的阻抗。

如果要從模擬中消除這種尖峰行為，可以使用理想化的二極管，而不是具有真實SPICE模型的二極管。

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本文結束了我關于升壓變換器的系列文章——希望它能夠幫助您更全面地了解這個重要的電路拓撲結構。在我的下一系列文章中，我們將繼續我們的LTspice之旅，通過降壓-升壓轉換器進行開關模式調節。