【導讀】可調(diào)式直流電源一般配有開關(guān)轉(zhuǎn)換器，用于提供穩(wěn)定的輸出電壓，并帶有明顯的紋波。如果將開關(guān)轉(zhuǎn)換器集成到 PCB 上，那么輸出中就會包含一些開關(guān)噪聲。電源中有幾個部分很難在板載升壓轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)，在示波器上查看波形時，輸出中的噪聲可能會非常強烈。
本文要點
●降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的波形總是帶有一些紋波和噪聲，這是功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作造成的。
●與降壓轉(zhuǎn)換器一樣，升壓轉(zhuǎn)換器可以在連續(xù)或非連續(xù)模式下工作。
●一旦轉(zhuǎn)換器進入非連續(xù)模式，波形就會從典型的紋波形狀變?yōu)殡姼须娏鳛榱愕牟ㄐ危⑶铱赡艹霈F(xiàn)很強的瞬態(tài)效應。
可調(diào)式直流電源一般配有開關(guān)轉(zhuǎn)換器，用于提供穩(wěn)定的輸出電壓，并帶有明顯的紋波。如果將開關(guān)轉(zhuǎn)換器集成到 PCB 上，那么輸出中就會包含一些開關(guān)噪聲。電源中有幾個部分很難在板載升壓轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)，在示波器上查看波形時，輸出中的噪聲可能會非常強烈。
升壓轉(zhuǎn)換器的波形包括兩部分：額定（平均）直流輸出和開關(guān)波形產(chǎn)生的噪聲，其表現(xiàn)為圍繞額定直流值的紋波。這是升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)模式下輸出電壓/電流的基本形式。還要考慮到非連續(xù)模式，在該模式下，由于占空比和 R/L 上升率不足，轉(zhuǎn)換器會失去調(diào)節(jié)。借助得心應手的仿真工具，設計人員可以從升壓轉(zhuǎn)換器的波形仿真中確定工作模式，并通過實驗來找到確保穩(wěn)定供電的器件參數(shù)值。
升壓轉(zhuǎn)換器波形
升壓轉(zhuǎn)換器的輸出波形取決于轉(zhuǎn)換器的工作模式。開關(guān)穩(wěn)壓器有兩種可能的工作模式：連續(xù)和非連續(xù)工作模式。這兩種模式下的升壓轉(zhuǎn)換器波形是不同的，可以通過觀察電感電流來識別。在觀察輸出電流時要仔細，因為當存在無功（高電容）器件時，在復雜的負載網(wǎng)絡中可能存在一些補償。
對調(diào)節(jié)器電路進行瞬態(tài)分析仿真，或者從示波器收集測量結(jié)果，就能確定轉(zhuǎn)換器的工作模式。
1. 連續(xù)導通模式
連續(xù)導通模式是開關(guān)穩(wěn)壓器最簡單的運行模式。在這種模式下，電感中的電流（也就是輸出電流）在開關(guān)期間始終不會下降到 0；不過在開關(guān)期間會表現(xiàn)出一些振蕩。這是因為當開關(guān)元件激活時，轉(zhuǎn)換器的上升/下降時間非常長，所以輸出電流可以通過放電電容來維持?？梢詫⑺醋魇且环N帶有一些附加噪聲的偽穩(wěn)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(wěn)定直流電所需的濾波水平。
升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導通模式下工作時關(guān)鍵器件的波形
在上述圖形中，最重要的波形是第 2 個波形（電感電流）。在這個波形中，我們可以清楚地觀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似，具體取決于負載網(wǎng)絡中無功阻抗的水平。
然后通過調(diào)整 PWM 驅(qū)動器的占空比來調(diào)制輸送到負載的電源，這也將改變波形。例如，通過降低占空比 (D)，電流波形的上升時間將縮短，而在 (1 - D) 區(qū)間內(nèi)的下降時間將增加。如果占空比對于所需的調(diào)節(jié)水平來說太低，電感電流波形最終將下降到 0，轉(zhuǎn)換器將在非連續(xù)導通模式下工作。
2. 非連續(xù)導通模式
進入非連續(xù)導通模式之后，波形將表現(xiàn)為一個不連續(xù)的函數(shù)，并將存在輸出電流為 0 的階段。這可以用一個大的輸出電容來平滑，但紋波可能大得令人無法接受，而且設計的功率因數(shù)也會很低。此外，這些設計往往會在電感波形的下降沿表現(xiàn)出一些瞬態(tài)振鈴，因為系統(tǒng)不再被周期性地驅(qū)動，導致輸出電流波形上出現(xiàn)較大的欠阻尼振蕩。
通常情況下，無法進入這種狀態(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(xù)導通模式 (CCM) 和非連續(xù)導通模式 (DCM) 下的紋波電流調(diào)節(jié)
這也可能是由于設計中出現(xiàn)了一個無意的錯誤，即電感設計得太小，因此對于給定的占空比來說，轉(zhuǎn)換器中的下降時間太短。當電路設計人員犯了這個錯誤時，他們往往會發(fā)現(xiàn)無法僅僅通過增加占空比來重新進入連續(xù)導通模式；電感的下降時間太短了。此外，增加占空比會改變輸出電壓，而且可能無法達到預期的輸出。
有四種方法可以使設計重新進入連續(xù)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，再次延長電感電流波形的上升時間；這樣做還可以提供額外的噪聲過濾。
3. 在濾波電容上增加一個非常小的電阻，以延長上升時間。在某些情況下，增加的電阻可以小至幾歐姆。
4. 增加開關(guān)頻率，如此一來，盡管在非連續(xù)的升壓轉(zhuǎn)換器波形中有較長的關(guān)斷時間，開關(guān)也會更頻繁。
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施起來有些困難。值得注意的是，如果采用了第 4 種方法，就無需考慮前兩種方法，這也是現(xiàn)代數(shù)字和無線系統(tǒng)的電源設計在很高的 kHz 或 MHz 開關(guān)頻率下運行，而較簡單的直流設計可以繼續(xù)在低頻率（約 100kHz）下運行的眾多原因之一。
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( 來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心微信公眾號)
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