為升壓穩(wěn)壓器選擇IC的過(guò)程與為降壓穩(wěn)壓器選擇IC的過(guò)程不同,后者的主要區(qū)別在于所需的輸出電流與穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格的關(guān)系。在降壓拓?fù)渲?,平均電感電流與負(fù)載電流基本相同。升壓拓?fù)鋭t不是這種情況,升壓拓?fù)湫枰陂_關(guān)電流進(jìn)行計(jì)算。本文介紹了升壓穩(wěn)壓器IC(帶內(nèi)部MOSFET)或控制器IC(帶外部MOSFET)的選擇標(biāo)準(zhǔn),以及如何使用LTspice選擇合適的外設(shè)元件來(lái)完成升壓功率級(jí)。?
為什么開關(guān)電流很重要
輸入和輸出電壓是多少?這是選擇降壓(降壓)或升壓(升壓)DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)要問(wèn)的第一個(gè)問(wèn)題。第二個(gè)問(wèn)題:滿足預(yù)期負(fù)載所需的輸出電流是多少?盡管降壓和升壓的輸入和輸出問(wèn)題相同,但選擇合適的IC以滿足輸入和輸出要求的過(guò)程在降壓和升壓之間卻大不相同。如果比較降壓IC的選擇表與升壓IC的選擇表,則升壓的選擇過(guò)程與降壓的選擇表是顯而易見(jiàn)的。圖1顯示了某些內(nèi)部電源開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器的選型表??梢钥闯?,輸出電流作為主要選擇參數(shù)之一計(jì)費(fèi)。
圖1.內(nèi)部電源開關(guān)降壓選擇表顯示輸出電流作為選擇參數(shù)。
比較圖1(內(nèi)部電源開關(guān)降壓選擇表)和圖2(內(nèi)部電源開關(guān)升壓選擇表)。在升壓表中,輸出電流甚至不顯示為選擇參數(shù),而是為開關(guān)電流讓路。
圖2.開關(guān)電流在升壓轉(zhuǎn)換器IC的選擇表中顯示為參數(shù),而不是輸出電流。
升壓不遵循相同規(guī)則的另一個(gè)線索是:升壓的數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)題對(duì)電流有一個(gè)微妙但重要的陳述。例如,圖3顯示了LTC3621單芯片降壓轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)的首頁(yè),其中最大V為17 V在和 1 A 連續(xù)負(fù)載能力被突出顯示。
圖3.LTC3621降壓型穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)顯示了最大典型工作電壓和電流。
相比之下,LT8330單芯片升壓的數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)題說(shuō)明了開關(guān)(內(nèi)部功率MOSFET)的最大電壓(60 V)和電流(1 A),而不是負(fù)載電流和輸入電壓的典型最大值。
圖4.LT8330升壓穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)顯示了最大功率開關(guān)能力。
您還可以看到,對(duì)于升壓,3 V至40 V的輸入電壓范圍與60 V最大開關(guān)電壓不同。
那么,為什么會(huì)有差異呢?在降壓穩(wěn)壓器中,平均電感電流大約等于輸出(負(fù)載)電流,而在升壓拓?fù)渲?,情況并非如此。讓我們通過(guò)檢查升壓拓?fù)渑c降壓的比較來(lái)了解原因。
圖5顯示了異步升壓拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖,圖6顯示了異步降壓拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖。兩者的D模塊是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的PWM信號(hào),開關(guān)周期的占空比由輸入和輸出電壓比決定。在本文中,為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),我使用了無(wú)損連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)方程,因?yàn)樗鼈兲峁┝俗銐蚪咏慕Y(jié)果。
圖5.異步提升。
圖6.異步降壓穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化原理圖
通過(guò)使用LTspice,我們可以清楚地看到兩種不同拓?fù)涞妮斎牒洼敵鲭娏髦g的差異。圖7顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的基本開環(huán)設(shè)計(jì),將12 V輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V輸出,為阻性負(fù)載R1提供1 A (3.3 W)。PWM D 模塊由浮動(dòng)電源 V2 實(shí)現(xiàn),因?yàn)槲覀冃枰?V門> V源建立 N 溝道 MOSFET M1 的導(dǎo)通。V2用作PULSE電壓源,以實(shí)現(xiàn)0 V至5 V脈沖,該脈沖從仿真的時(shí)間0開始,在5 ns內(nèi)從0 V轉(zhuǎn)換到5 V,并在5 ns內(nèi)再次回升,T上550 ns,而 TP(全開關(guān)周期)等于 2 μs。
圖7.降壓穩(wěn)壓器開環(huán)拓?fù)?,? A電流下將12 V轉(zhuǎn)換為3.3 V,設(shè)計(jì)功率約為3 W。
運(yùn)行圖7所示電路的仿真后,可以探測(cè)L1和R1的電流。L1中的電流具有三角形,因?yàn)樗鶕?jù)T的時(shí)序切換M1而進(jìn)行充電和放電上、時(shí)間 M1 打開,T關(guān)閉,則為 M1 關(guān)閉的時(shí)間。
L1 電流以 500 kHz 開關(guān)頻率切換。我們可以看到電感電流是交流+直流波形。它從最小值 0.866 A(T 的末尾)轉(zhuǎn)換關(guān)閉) 的最大值為 1.144 A(T 結(jié)束上).當(dāng)交流信號(hào)尋找阻抗最小的路徑時(shí),電流的交流部分流過(guò)輸出電容C2的ESR。這種交流電以及C2的充電和放電會(huì)產(chǎn)生輸出電壓紋波,而直流電流經(jīng)R2。
比較負(fù)載電流上方和下方形成的電感電流的三角形形狀,我們可以看到它們是相等的,簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算表明:
平均電感電流等于負(fù)載電流。
圖8.降壓拓?fù)洹姼须娏骱拓?fù)載電流仿真示例。
搜索降壓穩(wěn)壓器IC時(shí),可以安全地假設(shè)數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示最大允許輸出電流,如I在≈ I外,但升壓拓?fù)洳⒎侨绱恕?/p>
讓我們看一下圖9,其中顯示了3.3 V輸入至12 V輸出的開環(huán)升壓設(shè)計(jì),電流為0.275 A,約3.3 W。在這種情況下,平均電感電流是多少?
圖9.升壓拓?fù)洌?.3 V至12 V,約3.3 W。
在圖10中,輸出電流為291 mA,I(R2)時(shí)的直流走線,接近計(jì)算值。仿真負(fù)載電流為291 mA,仿真結(jié)果表明電感電流的平均值為945 mA,峰值大于1 A。這是輸出電流的3.6倍以上。T期間上—M2 導(dǎo)通的時(shí)間,L2 兩端的電壓為 V3 —電感從其最小值充電到最大值。T期間上,D2關(guān)斷,負(fù)載電流由輸出電容提供。
圖 10.LTspice仿真結(jié)果,在0.275 A時(shí)從3.3 V升壓至12 V。
T期間上,電感與 MOSFET 串聯(lián),因此流過(guò)輸入電感的任何電流都會(huì)流過(guò)開關(guān)。因此,數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了可以流過(guò)開關(guān)的最大電流,I西 南部.在為新設(shè)計(jì)選擇升壓IC時(shí),應(yīng)該知道通過(guò)開關(guān)(和電感)的預(yù)期最大電流。
圖 11.T期間的原理圖上:M2 打開,V3 與 L2 并行,D2 關(guān)閉。
例如,為以下應(yīng)用使用升壓穩(wěn)壓器:
V在= 12 V
V外= 48 V
我外= 0.15 A
選擇正確的升壓穩(wěn)壓器需要找到平均輸入電流,因?yàn)檫@是T期間流過(guò)電感器和MOSFET的電流上.要找到此電流,請(qǐng)根據(jù)輸出功率和效率從輸出反向工作到輸入:
P外= V外× I外= 48 V × 0.15 A = 7.2 W
假設(shè)效率為0.85(如果存在與所需設(shè)計(jì)具有相似輸入和輸出參數(shù)的效率曲線,則使用數(shù)據(jù)手冊(cè))。
P在= P外/效率 = 7.2 W/0.85 = 8.47 W
我在_AV = 平均輸入電流。這是導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)流入電感和開關(guān)的平均電流,由P在/V在= 8.47 W/12 V = 0.7 A。
再一次,我在是平均電感電流,最大峰值電流將比I高1.15至1.20在,允許 30% 至 40% 的紋波電流。所以,我峰= I在× 1.2 = 0.7 A × 1.2 = 0.847 A。
V西 南部、晶體管最大允許電壓和占空比限制
通常 V在IC的范圍在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定——推薦范圍和絕對(duì)最大值。數(shù)據(jù)手冊(cè)中表示,帶有內(nèi)部電源開關(guān)的升壓穩(wěn)壓器可能提供的最高輸出電壓為其最大V西 南部額定值。如果使用帶有外部 MOSFET 的升壓控制器作為電源開關(guān),則 MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明為 VDS額定值是限制最大輸出電壓的因素。
例如,LT8330升壓穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為3 V至40 V,絕對(duì)最大開關(guān)電壓為60 V,固定開關(guān)頻率為2 MHz。雖然絕對(duì)最大60 V開關(guān)電壓額定值使器件能夠產(chǎn)生升壓輸出至60 V,但最佳做法是保持低于此電壓至少2 V。
輸出電壓也受占空比的限制。最大和最小占空比可能在數(shù)據(jù)手冊(cè)中,也可以計(jì)算。使用LT8330將12 V轉(zhuǎn)換為48 V,對(duì)于CCM,省略二極管壓降以獲得高轉(zhuǎn)換比,占空比根據(jù)輸入和輸出電壓計(jì)算:
D = (VO– V在)/VO= (48 V – 12 V)/48 V = 0.75 或 75%
檢查IC是否能夠在所需的占空比下工作。
IC最小占空比由下式給出:
D最低= 最小 T開(最大)× fSW(最大)
IC最大占空比由下式給出:
D.MAX= 1 –(最小值 T熄滅(最大)× fSW(最大))
最小 T上和最小 T關(guān)閉可在數(shù)據(jù)手冊(cè)的電氣特性表中找到。使用表的最小值、典型值和最大值列中的最大值。使用 LT8330 的公布值和最低和 D.MAX方程結(jié)果為 D最低= 0.225 和 D.MAX= 0.86。從結(jié)果中,我們可以看到LT8330應(yīng)該能夠?qū)?2 V轉(zhuǎn)換為48 V,因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求占空比為0.75。
了解使用LTspice的外設(shè)應(yīng)力
圖12所示原理圖實(shí)現(xiàn)了之前介紹的設(shè)計(jì)理念,LT8330采用12 V輸入至48 V輸出轉(zhuǎn)換器,支持150 mA負(fù)載。
圖 12.LT8330用于12 V至48 V轉(zhuǎn)換器,負(fù)載電流為150 mA。
通過(guò)LTspice仿真,我們可以繪制和測(cè)量許多參數(shù)。圖13描述了那些可以幫助您選擇IC的方法。
圖 13.LTspice中圖形查看器上的開關(guān)節(jié)點(diǎn)圖。
V西 南部和占空比
運(yùn)行仿真后,您可以將 SW 節(jié)點(diǎn)行為視為波形,以了解開關(guān)在開關(guān)周期內(nèi)存在的電壓。為此,請(qǐng)將鼠標(biāo)懸停在 SW 節(jié)點(diǎn)上,使十字光標(biāo)變?yōu)榧t色電壓探頭。單擊以在波形查看器上繪制開關(guān)節(jié)點(diǎn)行為。得到的曲線對(duì)應(yīng)于內(nèi)部功率MOSFET的漏極。
正如預(yù)期的那樣,當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí),電壓電位接近地,但更重要的是,在T期間關(guān)閉,MOSFET 關(guān)斷,漏極電壓受輸出電壓加二極管壓降的影響?,F(xiàn)在我們知道 V 的壓力是多少了DS的場(chǎng)效應(yīng)管。如果我們選擇使用外部MOSFET作為電源開關(guān)的控制器設(shè)計(jì),我們應(yīng)該選擇具有V的MOSFETDS額定電壓為 60 V。
在LTspice波形查看器中,可以使用光標(biāo)進(jìn)行水平和垂直測(cè)量,類似于示波器上的光標(biāo)。要調(diào)用光標(biāo),請(qǐng)單擊LTspice波形查看器中的V(sw)標(biāo)簽。這會(huì)將第一個(gè)游標(biāo)附加到跟蹤,再單擊一次將第二個(gè)游標(biāo)附加到同一跡線?;蛘?,右鍵單擊標(biāo)簽并選擇所需的光標(biāo)以顯示給定的探測(cè)跡線。使用這些光標(biāo),您可以測(cè)量 T上并計(jì)算占空比,由 T 給出上/時(shí)期。
圖 14.測(cè)量 T上以驗(yàn)證估計(jì)的占空比。
T時(shí)期= T上+ T關(guān)閉= 1/f西 南部.早些時(shí)候,我們計(jì)算出這是75%或0.75。使用LTspice,我們得到大約373 ns。LT8330使用2 MHz的固定開關(guān)頻率,因此P= 1/2e6 = 500 ns,因此占空比為 373 ns/500 ns = 0.746。
通過(guò)電感器的峰值電流和電壓
要為您的升壓應(yīng)用選擇電感器,您需要知道電感器是否可以處理它將面臨的電流和電壓,即峰值電感電流和 T上和 T關(guān)閉電壓。這也可以在LTspice中使用差分探頭進(jìn)行估計(jì)。要對(duì)電感進(jìn)行差分探測(cè),請(qǐng)將鼠標(biāo)懸停在IN節(jié)點(diǎn)上,十字光標(biāo)將變?yōu)榧t色探頭。單擊鼠標(biāo)并將其拖動(dòng)到 SW 節(jié)點(diǎn)。光標(biāo)顏色變?yōu)楹谏?。在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)上時(shí)松開。
在圖15中,在電感兩端對(duì)節(jié)點(diǎn)IN和SW之間的電壓進(jìn)行差分探測(cè)。T期間上,MOSFET 導(dǎo)通,因此電感的右側(cè)靠近地電位,而左側(cè)位于 V 處在,使電感兩端的電壓在T期間為12 V上.T期間關(guān)閉MOSFET 關(guān)閉,電感的右側(cè)為 48 V,而左側(cè)為 V在,如在 T 期間上.因?yàn)椴罘痔筋^減去V西 南部從 V在,結(jié)果為 –36 V,但符號(hào)無(wú)關(guān)緊要(目前)。重要的是電感在12 V和36 V之間變化。
圖 15.穩(wěn)態(tài)下通過(guò)電感器的電壓和電流。
T期間上,電感兩端的電壓繪制一個(gè)正di/dt,即藍(lán)色I(xiàn)(L1)圖的斜率。此跟蹤的最大點(diǎn)為 I峰,計(jì)算為 0.847 A。 使用 LTspice,我們可以看到峰值電流約為 866 mA。
圖 16.測(cè)量電感峰值電流。
為了正確選擇具有足夠額定電流(IR)和飽和電流(I坐).IR更多的是在規(guī)定的電流下產(chǎn)生多少熱量,而I坐適用于調(diào)用短路保護(hù)的事件。如果使用具有內(nèi)部 MOSFET 的穩(wěn)壓器,(I坐>穩(wěn)壓器電流限制),如果控制器與外部MOSFET一起使用,則(I坐>峰值電感值),當(dāng)觸發(fā)電流限制時(shí)。
需要注意的是,此處描述的升壓拓?fù)鋵?duì)電感或二極管沒(méi)有電流限制。如果未使用開關(guān),或者IC關(guān)閉,則輸入到輸出之間有一條直接路徑。有些 IC 可提供額外的保護(hù)功能,例如停機(jī)模式中的輸出斷開、浪涌電流限制,以及解決這種直接輸入至輸出連接的其他功能 — 例如,LTC3122 和 LTC3539。
為了提高效率,應(yīng)使用具有低DCR(直流電阻)和低磁芯損耗的電感器。電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中注明了特定溫度下的DCR——它隨溫度升高并具有容差。直流損耗可以通過(guò)P輕松計(jì)算INDUCTOR_LOSS= IIN_AV2 ×DCR,而交流損耗和磁芯損耗可以在制造商的仿真或其他文檔中找到。LTspice可以集成功率來(lái)計(jì)算相關(guān)的功率損耗。為L(zhǎng)Tspice提供電感記錄的DCR和其他已知寄生參數(shù)可提高LTspice仿真精度。
通過(guò)二極管的電流和電壓
圖17顯示了二極管V兩端的仿真差分電壓軟件,輸出、二極管正向電流 I(D1) 和電感電流 I(L1)。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)(在 T 期間上),陽(yáng)極接近地,陰極處于輸出電壓,因此二極管反向偏置并暴露在其最大電壓下,即V外.選擇具有V的二極管RRM(最大峰值重復(fù)反向電壓)高于V外是第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
圖 17.二極管電壓和電流以及電感中的電流。
一旦 MOSFET 關(guān)閉,電感的峰值電流就會(huì)流過(guò)二極管,在 T 開始時(shí)關(guān)閉周期,因此二極管峰值電流與電感峰值電流相同。二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)包括一個(gè)名為I的參數(shù)FRM,在持續(xù)時(shí)間和占空比處指定的重復(fù)峰值正向電流。該參數(shù)通常高于二極管可以提供的平均電流。
仿真完成后,LTspice可以在波形查看器中集成任何波形,以產(chǎn)生均方根和平均值,并且通過(guò)相同的測(cè)量方法,產(chǎn)生二極管將面臨的平均電流。首先,放大要積分的波形部分 - 縮放可以有效地設(shè)置積分邊界。在這種情況下,您希望縮放以覆蓋大量穩(wěn)態(tài)周期(不是啟動(dòng)或關(guān)閉)。要設(shè)置集成邊界,請(qǐng)?jiān)诜€(wěn)定狀態(tài)時(shí)間段上拖動(dòng)并將鼠標(biāo)懸停在圖表名稱上。例如,圖18所示的積分結(jié)果涵蓋0.75 ms,或超過(guò)一千個(gè)周期。光標(biāo)變?yōu)槭中螆D標(biāo)。按 CTRL 鍵并單擊以調(diào)用波形查看器的積分窗口。
圖 18.穩(wěn)態(tài)二極管電流積分提供IF(AV)和I(RMS)值
圖18所示的積分對(duì)話框顯示通過(guò)二極管的平均電流,為150 mA。這應(yīng)該小于二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)中的IF(AV),最大平均正向電流,通常在特定的外殼溫度下說(shuō)明。
二極管功耗
二極管的功耗也可以從仿真中計(jì)算出來(lái)。二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)指定P托特(總功率),即 25°C 時(shí)的總功耗,以及 RTH(結(jié)溫到環(huán)境熱阻)。在LTspice中,通過(guò)將鼠標(biāo)懸停在二極管上,可以在波形查看器上顯示功耗;將鼠標(biāo)懸停在分立元件或電壓源的主體上時(shí),鼠標(biāo)光標(biāo)將變?yōu)殡娏魈筋^。按 ALT 鍵將光標(biāo)更改為溫度計(jì),然后單擊以顯示二極管上的模擬功耗。放大穩(wěn)態(tài)操作以使用與前面描述的二極管電流積分相同的步驟對(duì)波形進(jìn)行積分。二極管功率處理包括二極管兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流。
圖 19.對(duì)二極管耗散的功率進(jìn)行積分,以產(chǎn)生平均功耗。
二極管具有一些在其導(dǎo)通期間充電的電容。當(dāng)二極管不再導(dǎo)通時(shí),必須釋放累積的電荷。這種阻尼電荷移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致功率損失,因此建議選擇低電容值。該電容值隨二極管的反向電壓而變化,二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)包括顯示此效應(yīng)的圖表。該內(nèi)部電容通常在二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示為Cd并在LTspice數(shù)據(jù)庫(kù)中作為C喬.
使用低電容二極管可放寬對(duì)最大反向恢復(fù)電流的要求,從而提高效率。圖20顯示了關(guān)于恢復(fù)電流的注意事項(xiàng)。反向恢復(fù)中固有的功耗留給讀者練習(xí)。
圖 20.二極管放電處的反向恢復(fù)尖峰原因。較低的值意味著較低的功率損耗。該電容隨電壓而變化。(a) 二極管反向恢復(fù)電流尖峰。(b) 放大二極管反向恢復(fù)電流尖峰。
結(jié)論
選擇升壓IC時(shí),從輸出開始。從所需的輸出電壓和負(fù)載電流逆向工作以找到輸入功率,同時(shí)考慮效率。由此,確定平均和峰值輸入電流值。在升壓中,電感中流動(dòng)的平均電流高于負(fù)載電流,使得IC選擇過(guò)程與降壓選擇過(guò)程不同。為升壓轉(zhuǎn)換器選擇額定值合適的元件需要了解穩(wěn)壓器峰值以及平均電壓和電流,這可以使用LTspice確定。
審核編輯:郭婷
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