為升壓穩(wěn)壓器選擇IC的過程與為降壓穩(wěn)壓器選擇IC的過程不同，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)元件來完成升壓功率級。?

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)換器時要問的第一個問題。第二個問題：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題相同，但選擇合適的IC以滿足輸入和輸出要求的過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，則升壓的選擇過程與降壓的選擇表是顯而易見的。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)之一計費。

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)則的另一個線索是：升壓的數(shù)據(jù)手冊標(biāo)題對電流有一個微妙但重要的陳述。例如，圖3顯示了LTC3621單芯片降壓轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊的首頁，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)手冊首頁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)手冊標(biāo)題說明了開關(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)手冊首頁顯示了最大功率開關(guān)能力。

您還可以看到，對于升壓，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)渲校闆r并非如此。讓我們通過檢查升壓拓?fù)渑c降壓的比較來了解原因。

圖5顯示了異步升壓拓?fù)涞暮喕韴D，圖6顯示了異步降壓拓?fù)涞暮喕韴D。兩者的D模塊是驅(qū)動功率MOSFET的PWM信號，開關(guān)周期的占空比由輸入和輸出電壓比決定。在本文中，為了簡單起見，我使用了無損連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）方程，因為它們提供了足夠接近的結(jié)果。

圖5.異步提升。

圖6.異步降壓穩(wěn)壓器簡化原理圖

通過使用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，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 模塊由浮動電源 V2 實現(xiàn)，因為我們需要 V門> V源建立 N 溝道 MOSFET M1 的導(dǎo)通。V2用作PULSE電壓源，以實現(xiàn)0 V至5 V脈沖，該脈沖從仿真的時間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)計功率約為3 W。

運行圖7所示電路的仿真后，可以探測L1和R1的電流。L1中的電流具有三角形，因為它根據(jù)T的時序切換M1而進(jìn)行充電和放電上、時間 M1 打開，T關(guān)閉，則為 M1 關(guān)閉的時間。

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)交流信號尋找阻抗最小的路徑時，電流的交流部分流過輸出電容C2的ESR。這種交流電以及C2的充電和放電會產(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，簡單的代數(shù)計算表明：

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，可以安全地假設(shè)數(shù)據(jù)手冊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，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）時的直流走線，接近計算值。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時從3.3 V升壓至12 V。

T期間上，電感與 MOSFET 串聯(lián)，因此流過輸入電感的任何電流都會流過開關(guān)。因此，數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了可以流過開關(guān)的最大電流，I西 南部.在為新設(shè)計選擇升壓IC時，應(yīng)該知道通過開關(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，因為這是T期間流過電感器和MOSFET的電流上.要找到此電流，請根據(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）。

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)手冊中指定——推薦范圍和絕對最大值。數(shù)據(jù)手冊中表示，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，絕對最大開關(guān)電壓為60 V，固定開關(guān)頻率為2 MHz。雖然絕對最大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)手冊中，也可以計算。使用LT8330將12 V轉(zhuǎn)換為48 V，對于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，因為設(shè)計要求占空比為0.75。

了解使用LTspice的外設(shè)應(yīng)力

圖12所示原理圖實現(xiàn)了之前介紹的設(shè)計理念，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LTspice仿真，我們可以繪制和測量許多參數(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)點圖。

V西 南部和占空比

運行仿真后，您可以將 SW 節(jié)點行為視為波形，以了解開關(guān)在開關(guān)周期內(nèi)存在的電壓。為此，請將鼠標(biāo)懸停在 SW 節(jié)點上，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)點行為。得到的曲線對應(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，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。現(xiàn)在我們知道 V 的壓力是多少了DS的場效應(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，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)行水平和垂直測量，類似于示波器上的光標(biāo)。要調(diào)用光標(biāo)，請單擊LTspice波形查看器中的V（sw）標(biāo)簽。這會將第一個游標(biāo)附加到跟蹤，再單擊一次將第二個游標(biāo)附加到同一跡線?；蛘撸益I單擊標(biāo)簽并選擇所需的光標(biāo)以顯示給定的探測跡線。使用這些光標(biāo)，您可以測量 T上并計算占空比，由 T 給出上/時期。

圖 14.測量 T上以驗證估計的占空比。

T時期= T上+ T關(guān)閉= 1/f西 南部.早些時候，我們計算出這是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。要對電感進(jìn)行差分探測，請將鼠標(biāo)懸停在IN節(jié)點上，十字光標(biāo)將變?yōu)榧t色探頭。單擊鼠標(biāo)并將其拖動到 SW 節(jié)點。光標(biāo)顏色變?yōu)楹谏Ｔ诘诙€節(jié)點上時松開。

在圖15中，在電感兩端對節(jié)點IN和SW之間的電壓進(jìn)行差分探測。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.因為差分探頭減去V西 南部從 V在，結(jié)果為 –36 V，但符號無關(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)下通過電感器的電壓和電流。

T期間上，電感兩端的電壓繪制一個正di/dt，即藍(lán)色I(xiàn)（L1）圖的斜率。此跟蹤的最大點為 I峰，計算為 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。

需要注意的是，此處描述的升壓拓?fù)鋵﹄姼谢蚨O管沒有電流限制。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P輕松計算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可以集成功率來計算相關(guān)的功率損耗。為LTspice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（在 T 期間上），陽極接近地，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流過二極管，在 T 開始時關(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)手冊包括一個名為I的參數(shù)FRM，在持續(xù)時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，并且通過相同的測量方法，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（不是啟動或關(guān)閉）。要設(shè)置集成邊界，請在穩(wěn)定狀態(tài)時間段上拖動并將鼠標(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，或超過一千個周期。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所示的積分對話框顯示通過二極管的平均電流，為150 mA。這應(yīng)該小于二極管數(shù)據(jù)手冊中的IF（AV），最大平均正向電流，通常在特定的外殼溫度下說明。

二極管功耗

二極管的功耗也可以從仿真中計算出來。二極管數(shù)據(jù)手冊指定P托特（總功率），即 25°C 時的總功耗，以及 RTH（結(jié)溫到環(huán)境熱阻）。在LTspice中，通過將鼠標(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，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，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二極管的電流。

圖 19.對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，必須釋放累積的電荷。這種阻尼電荷移動會導(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)手冊中顯示為Cd并在LTspice數(shù)據(jù)庫中作為C喬.

使用低電容二極管可放寬對最大反向恢復(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。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，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，電感中流動的平均電流高于負(fù)載電流，使得IC選擇過程與降壓選擇過程不同。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