降壓型DC-DC轉換器與升壓型DC-DC轉換器的輸出紋波差異

首先來介紹第一個主題：“降壓型DC-DC轉換器與升壓型DC-DC轉換器的輸出紋波差異”。

?降壓型DC-DC轉換器與升壓型DC-DC轉換器的輸出紋波差異

?工作條件對升壓型DC-DC轉換器輸出紋波的影響

關于降壓型和升壓型DC-DC轉換器的輸出紋波差異，我們將分“降壓型DC-DC轉換器的輸出紋波電壓”和“升壓型DC-DC轉換器的輸出紋波電壓”兩部分進行說明。

降壓型DC-DC轉換器的輸出紋波電壓

為了更好地理解升壓型DC-DC轉換器和降壓型DC-DC轉換器輸出紋波電壓之間的差異，我們先來了解一下降壓電源的輸出紋波電壓。

降壓型DC-DC轉換器會直接輸出受紋波電流影響而波動的電感電流，由輸出電容器對波動的電流進行平滑濾波。被輸出的電流為“直流電流+電感紋波電流”，輸出電容器僅對電感紋波電流（即交流分量）進行平滑濾波。輸出電容器產生的紋波電壓ΔV基本上是通過平滑濾波動作，對輸出電容器充放電的電荷量Q庫侖帶來的電壓波動，即ΔV=Q/C。

更準確地講，波形是根據充放電電流值，電容器的ESR×充放電電流所產生的電壓、充放電電流的電流變化和ESL分量的微分電壓的總和，在這里我們僅按照基于對電容器充放電電荷量Q庫侖產生的電壓進行說明。

流過電感的電流為“直流分量+紋波電流（P-P值）”。紋波電流在高邊開關導通時間內會增加，在低邊開關導通時間內會減少，增加和減少的電流的平均值即為直流輸出電流。當超過平均值時向輸出電容器充電，當低于平均值時則對輸出電容器放電。

因此，充電從高邊開關導通時間的中央開始，在低邊開關導通時間的中央結束，然后從這個時間點開始放電，并在高邊開關導通時間的中央結束。充放電電流從0開始，呈線性增減，并形成線性增減的三角形。這種充放電電流用電容器積分得到的電壓呈圖中所示的圓弧形，即輸出電容器產生的紋波電壓。

由于V=Q/C，所以產生的紋波電壓大小取決于電荷量和電容量，與紋波電流的大小成正比，與輸出電容器的電容量成反比。紋波電流的大小是根據輸入輸出電壓、開關頻率和電感值計算出來的，通常設計時是按照最大輸出電流值的30%左右進行設計的。即使輸出電流值增加或減少，降壓型DC-DC轉換器的電感紋波電流值也不會改變，因此無論輸出電流值如何，輸出電容器產生的紋波電壓都會保持恒定值。

但是，在輕負載期間（比如當輸出電流小于紋波電流值的一半時），具有旨在改善二極管整流時和輕負載時效率的輕負載模式的產品，充放電電荷量可能會受導通時間控制或間歇開關工作等因素的影響而變化，紋波電壓也可能會發生變化。

升壓型DC-DC轉換器的輸出紋波電壓

在升壓型DC-DC轉換器中，會反復執行通過在低邊開關導通時電感電流增加來積蓄能量、以及在高邊開關導通時釋放能量來減少電感電流的動作。僅在高邊開關導通期間，電流才會供給輸出電容器，因此，供給的電流是間歇性的脈沖狀充電電流。

在圖例中，假設是效率為100%的理想電源，要將電壓從2V提高到10V1A，需要5A的輸入電流。由于電壓提高了5倍，因此低邊開關的導通時間變為80%，高邊開關的導通時間變為20%。

在電感器中連續流過平均5A的電流。在高邊開關導通的20%時間內，平均供電電流為5A，負載電流為1A，因此(5A-1A)=4A的充電電流會使輸出電容器的電壓上升，低邊開關導通，電感器儲能時沒有電流供給，所以從輸出電容器放電1A，該放電電流會導致電壓下降。對輸出電容器的充電和放電，導致輸出電壓中產生紋波電壓。

當負載電流恒定時，根據Q=I×T，充放電的電荷量Q相同，紋波電壓ΔV=Q/Co，因此輸出電容器Co的容量越大，紋波電壓越小。

對于降壓型DC-DC轉換器而言，輸出紋波電壓中只有電感紋波電流引起的電流波動量被平滑濾波；而對于升壓型DC-DC轉換器而言，由于需要對輸出的脈沖狀供電電流進行平滑濾波，因此，要平滑濾波的電荷量也較大，同等程度的紋波電壓需要使用更大容量的輸出電容器。

使用大容量多層陶瓷電容器作為輸出電容器時，需要注意的是：多層陶瓷電容器具有直流偏置特性，也就是當施加高電壓時，其實際有效電容量會減小。對于降壓型轉換器來說，輸出電壓通常較低，因此電容量減少在大多數情況下不會引發問題。

然而對于升壓轉換器來說，其輸出電壓通常較高，并且在施加高電壓時，其有效電容量可能會大大減少，甚至只有標稱容量的幾分之一。有效電容量的大幅減少，不僅會產生數倍于設計值的紋波電壓，還可能會因輸出容量不足而產生瞬態響應特性和負反饋控制安全性方面的問題，因此必須對實際有效的電容量進行確認。