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DCDC之Boost電路輸出電容值選取

作者:衡麗電子

一、Boost電路圖

如下圖所示:降壓轉換器由DC輸入電源Vin、導通開關S、續流D二極管(單向導通)、儲能元件L、輸出電容C及負載R組成。

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

二、電容隔直通交

理想電容僅可通過交流成分,流經電容電流中,僅交流部分可通過;

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

三、輸出電容的重要性

極端情況下,DCDC電路中沒有輸出電容,會發生什麼?

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

​無輸出電容時,輸出無法穩壓;是以,輸出電容至關重要,起到濾波和穩定輸出的作用;

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

當然根據電路的參數,它會有一個建立時間,有可能這個建立時間非常長,就無法建立穩定,意味着輸出一直在波動,而且可能越來越大,最後電路可能會出現失效。我們希望有一個穩定的輸出,那就必須要選取一個合适的輸出電容。

四、Boost電路輸出電壓

根據并聯電路知:

Vo=Vc

二極管電流、電容電流和輸出電流的關系:

ID=Ic+Io

是以輸出電壓的紋波,即輸出電容上的紋波;

電容"配合"電感電流的變化;

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

二極管上既有交流也有直流,負載隻有直流通過,選取最合适的參數讓交流經電容濾除。

五、電感電流成分

電感上一直有電流,電感的電流它是一個三角波(紅色)。MOS管閉合時,二極管的陽極被接地,是以它上面是沒有電流的(藍色)。當MOS管斷開時,二極管上的電流等于電感上的電流。

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

根據電容特性C=Q/V,即:

t=C*dV/dt

​并聯電容後,交流部分可通過;

Buck電路的輸出電流與整個周期内的電流有關;

不同于Buck電路,Boost電路輸出電流僅與Toff斷開期間的電流有關,即二極管電流;

主要原因:二極管的位置不同。

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

電感電流的變化是有一個紋波電流的,紋波電流有一部分會傳給二極管,最終又傳給輸出電容和負載。

六、兩個狀态電流來源及方向

電容在閉合期間充當了電壓源的作用,電感充當負載。我們希望在閉合期間,輸出電壓減小變化,且:Ic=Io

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

電容在斷開期間作為負載儲存能量,電感作為電壓源滿足:ID=Io+Ic

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

七、Boost電路電感紋波電流

電感的紋波電流是一個三角波,作為輸出有效電流為綠色部分。

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

根據i=C*dV/dt知: 電容上電流的流入與流出,導緻輸出電壓有波動,即紋波成分;

電容兩端的紋波電壓(波動)源自電容兩端電荷量的變化,是以:

△V=QCOUT/COUT

同樣,當達到穩态時,在任一開關周期裡,閉合和斷開時間,使得電容兩端的電荷變化量分别為: -△QCOUT、 △QCOUT(穩态時相等)

△QCOUT為電容兩端電荷變化量。

穩态時,在任意一閉合時間 時間内,電容兩端的電荷變化量為

△V=(IC*Ton)/COUT

因為在閉合期間Ic=I0,故

△V=(I0*Ton)/COUT

通過化簡可得:

△V=(I0*D)/COUT*fswitch

I0為輸出負載電流,Ton為開關的導通時間, COUT為有效的輸出電容。

八、輸出電容值

根據式△V=(I0*D)/COUT*fswitch變換可得:

COUT=(I0*D)/△V*fswitch

其中: I0為輸出負載電流,Ton為開關的導通時間, COUT為有效的輸出電容。

當我們設定一定的開關頻率,占空比,并要求一定的輸出紋波電壓,根據負載大小,我們就可以得出所需輸出電容值的大小;

幾個不同于BUCK電路的細節:

BUCK電路在閉合期間,輸出電容充電,而BOOST在閉合期間,輸出電容放電;

電路在閉合期間,輸出電壓(紋波)升高,而BOOST在閉合期間,輸出電壓(紋波)降低;

九、輸出電容電流

DCDC之Boost電路輸出電容值選取

上圖紅色是二極管電流,藍色是輸出電流,兩者之間差了一個直流成分;所對應的輸出電壓波動很小,在千分位萬分位的水準,穩定在5.4V。

如果輸出電容從小變大,輸出電壓的紋波電壓從大變小。

十、輸出電容選取

【電容值與誤差]通過前面分析,較高的輸出電容值可降低輸出電壓紋波,并改善負載瞬态響應,電容值C取值:Cour =xp,同時需考慮器件值誤差及溫升影響,通常按降額30%來選取;

【電媒體]推薦使用X5R或X7R,由于Y5V和Z5U材質的電容溫度和直流偏置特性差,避免Y5V和Z5U材質的電容應用在DCDC電路中。

【耐壓值]額定電壓應該大于兩端實際工作最大電壓(含紋波峰值),并留有一定裕量。

【ESR]ESR影響輸出電壓紋波大小,由于電容上有持續的紋波交流成分通過,是以為避免效率損失,盡量選用低ESR的電容由于X5R或X7R材質電容的值有較寬的耐壓和溫度範圍,推薦使用X5R或X7R。

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