​升压转换器中的输出电压和二极管电流

了解输出电压和二极管电流如何影响升压开关调节器的性能。

在前面的文章中，我们使用图1中的LTspice示意图来探讨基本升压DC/DC转换器的设计决策和操作细节。现在我们将通过分析其输出组件的电气行为来继续我们对升压转换器拓扑结构的检查。

低压示意图。

•图1。LTspice中使用的升压转换器示意图。

输出电压和纹波

该电路当前被配置为将2.5V输入电压转换为5V输出电压；如图2所示，实际输出电压为4.94V。如果我们想要微调输出电压，我们可以对占空比进行小的调整，但实际上不需要——实际的实施方式将使用反馈来确保VOUT保持非常接近额定值，尽管负载电流和输入电压发生变化。

升压转换器的输出电压以LTspice表示。叠加光标框将输出电压显示为数字值。

•图2。图1中升压转换器的输出电压。

启动后，输出电容器充电，输出电压向其最终值逐渐增加。图3显示了四个不同COUT值的启动行为。（在我的原理图中，COUT由一个电容器C1表示；在物理电路中，COUT通常由多个电容器组成。）

LTspice图显示四个不同输出电容值的升压转换器启动行为。

•图3。四个不同COUT值的升压转换器启动行为：5μF（绿色轨迹）、20μF（蓝色轨迹）、47μF（红色轨迹）和100μF（青色轨迹）。

输出电容值影响启动后达到可接受的输出电压所需的时间量。如果您有一个需要快速启动的应用程序，那么您可能需要使用更小的电容器来减少COUT。

让我们回到我们原来的47μF COUT，然后来看一下纹波（图4）。

升压波形图。

•图4。耦合输出=μF。 

我们模拟的峰峰值纹波小于1mV，这是非常低的。我们将在下一节讨论为什么。

然而，在此之前，我们首先为这种紧凑、低功率电路提供了大量的输出电容。图5显示了当我们将COUT降低到4.7μF时会发生什么。

两个不同输出电容值下升压转换器输出纹波的LTspice图。

•图5。耦合输出=4.7μF（绿色轨迹）和耦合输出=47μF（蓝色轨迹）的输出纹波。

如图所示，纹波随着输出电容的减少而增加。

等效串联电阻

我们的模拟电路缺乏我们在实际升压转换器中预期的非理想性，因此上面的输出纹波是不切实际的低。为了了解升压转换器在实际生活中的表现，我们需要考虑电容器的等效串联电阻（ESR）的作用，该电阻产生纹波电压，而不依赖于电容量。

我们在上一篇文章中看到，我们的小电感导致了更多的电感电流纹波。当这个大ΔIL进入输出电容器时，它通过电容器的等效串联电阻会按比例产生大的电压降。这些电压降会导致输出。

图6说明了具有零等效串联电阻（绿色轨迹）的47μF输出电容和具有10 mΩ等效串联电阻（蓝色轨迹）的47μF输出电容之间的输出纹波差异。

两个不同ESR值下升压转换器电压纹波的LTspice图。

•图6。耦合=47μF。

输出电容器的等效串联电感也会影响输出纹波。这是一个复杂的主题，我今天不打算深入讨论，但如果你有兴趣了解更多，我建议Texas Instruments应用程序注释题为“测量和理解Boost Converter的输出电压纹波”。

二极管电流

今天我们要讨论的还有另外一个输出组件：二极管。

我们可以从图7中看到，升压转换器中的平均二极管电流对应于负载电流，就像降压转换器中的平均电感电流一样。这并不奇怪：如果我们比较升压和降压组件的安排，我们会发现升压有二极管，降压有转换器。

显示升压转换器二极管电流和负载电流的LTspice图。叠加光标框显示平均二极管电流值。

•图7。图1中升压转换器平均二极管电流和负载电流的比较。

反向恢复电流

如果您想知道图6和图7中的负向尖峰，那么它们是由在开关闭合之后流过二极管和开关的电流的快速突发引起的。您可以在下面的图8中更清楚地看到这种行为。

升压转换器开关电压和二极管电流的LTspice图。

•图8。开关电压（红色轨迹）和二极管电流（绿色轨迹）。

尖峰电流被报告为负，在这个模拟的上下文中表明它是反向（即阴极到阳极）二极管电流。这种电流与被称为反向恢复的现象相关，这种现象发生在二极管的正向偏置电压快速转变为反向偏置电压时。

如上所述，如果在电容器中加入ESR，反向恢复电流会对输出电压产生重大影响；电流的突发向上流过输出电容器，并且被帽的电阻转换为负向尖峰电压。如果你增加等效串联电感，情况会变得更糟，这会对像这样的尖峰中包含的非常高的频率产生特别大的阻抗。

如果要从模拟中消除这种尖峰行为，可以使用理想化的二极管，而不是具有真实SPICE模型的二极管。

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本文结束了我关于升压变换器的系列文章——希望它能够帮助您更全面地了解这个重要的电路拓扑结构。在我的下一系列文章中，我们将继续我们的LTspice之旅，通过降压-升压转换器进行开关模式调节。