升压功率级设计公式

本应用笔记解释了如何通过选择合适的外部元件来实现为其他模块供电的升压，从而构建集成升压转换器功率级。

介绍

当系统具有高功率要求时，开关稳压器始终是首选。它们提供高效率和紧凑的PCB解决方案尺寸，以实现令人满意的电源。本应用笔记提供了一些公式，以指导升压开关稳压器在实现升压电压时所需的外部元件的选择。

升压转换器配置

作为图1所示的基本升压开关稳压器配置，当低边开关在时钟开关周期开始时导通时，高边开关同时关断。VLX等于接地电压;当低边开关关闭时，高边开关在一个时钟开关周期的静止时间间隔内导通，V.LX等于输出电压 V外，忽略了开关电流I引入的高端和低端功率场效应晶体管两端的压降房 协和我LS分别流经循环。出现在V上的方波信号LX通过LC滤波器，产生恒定输出电压V外，由 V 的占空比 D 控制LX.

同时，在低边开关导通时间间隔内，电感电流ILX斜坡上升以存储电感的能量，与高端开关导通时间间隔相反，ILX斜坡下降以传递存储在电感器内的能量，以维持输出负载。

图1.升压转换器配置

图2.升压转换器波形

选择电感器

在连续导通模式下，电源开关在一个开关周期中的每个状态都会消耗功率损耗。增加的电感电流仍然等于电感电流的降低。占空比由以下公式排列：

其中参数为：
VOUT：稳压输出电压
VIN：电源输入电压
VDS1：HS 开关两端的压降
VDS2：LS 开关两端的压降

占空比仅由输入电压和输出电压决定，忽略V时电除尘器和 V电除尘器:

较高的电感值产生较小的电流纹波ΔILX和峰值电流值 I峰，这决定了开关稳压器IC输出的最大负载电流，同时感应出较小的输入电压纹波。我峰应小于 IC 可以提供的 ILIM 的最小值。

开关稳压器IC数据手册提供了电感选择范围，通常为固定标称值pm容差%，器件内部斜率补偿针对在可接受范围内选择的外部电感值进行了优化。选择电感值后，峰值电流得出为直流输入负载加上半电感纹波电流。

电感纹波电流和峰值电流表示为：

其中参数为：
VIN：电源输入电压
D：由公式（2）得出的占空比
fsw：系统上的开关频率
L：电感值
ILOAD：IC所需的负载电流

流过电感器的均方根 （RMS） 电流为：

其中参数为：
ILOAD：IC所需的负载电流
ΔILX：电感纹波电流计算值由公式（3）计算

选择具有较高RMS额定电流的电感器，以避免过热影响效率和性能。数据手册中提到的电感的饱和电流应大于I的最大值峰在给定的 V 范围内在使电感值不会下降太多一定数字。电感值越小，成本越低，节省PCB面积，但电流纹波越大，传导的交流磁芯功率损耗就越多，再加上电感DCR值的传导功率损耗。电感器上的巨大功耗也会加热整个紧凑的解决方案区域，从而降低效率，特别是对于大输入平均电流。

选择输入电容

输入电压纹波由稳态时的电容元件电容和等效串联电阻（ESR）贡献。使用低 ESR X7R 陶瓷电容器，以最大限度地降低输入电压纹波。

具有特定输入电压纹波的输入电容表示为：

其中参数为：
ΔILX：电感纹波电流计算值由公式（3）计算
fsw：系统上的开关频率
ΔVIN：输入电压纹波要求

ESR的输入电压纹波贡献表示为：

其中参数为：
ΔILX：电感纹波电流计算值来自公式（3）
RESR：输入电容器的等效串联电阻

实际陶瓷电容应大于上述计算值，以便通过直流偏置电压降额对电容损耗产生一些裕量。请遵循数据手册中的元件选择指南，了解稳定输入电压所需的最小陶瓷电容。最好并联放置一个0.1μF陶瓷电容器，以去耦输入端的高频噪声。添加铝大容量电容，在负载瞬态期间提供大电流，并保持允许的输入电压偏差。

选择输出电容

当高端开关处于导通状态时，流经IC输出路径的开关电流携带开关噪声，输出电容有效滤除大部分噪声，降低输出电压纹波。负载电流越大，输出端的电压纹波越大。将输出电容尽可能靠近开关稳压器放置。

指定输出电压纹波的输出电容计算如下：

其中参数为：
ILOAD：IC所需的负载电流
D：由公式（2）得出的占空比
fsw：系统上的开关频率
ΔVOUT：输出电压纹波要求

ESR的输出电压纹波贡献表示为：

其中参数为：
ILOAD：IC所需的负载电流
D：由公式（2）得出的占空比
ΔILX：电感纹波电流计算值由公式（3）计算
RESR：输出电容器网络的等效串联电阻

当大纹波电流流过输出电容器时，使用低 ESR 陶瓷电容器以最小化输出电压纹波。X7R电介质材料具有更好的温度特性，可处理电容器上随温度升高而引起的较小电容变化。

调整输出电压

输出电压由固定的内部电阻分压器设置，或由外部电阻网络调节（如果适用），并反馈给开关稳压器IC。当前的I室温流过顶部电阻器 RT应大于漏电流I的100倍FB进入IC的反馈引脚以保持输出端的电压精度。增加一个小的前馈电容CFF与顶部电阻器 R 并联T在反馈环路中产生升压零点，以优化相位裕量。

按照数据手册选择推荐的底部电阻器 RB在图3中，以kΩ为单位为较小的值。然后，顶部电阻RT计算公式为：

其中参数为：
RB：可调电阻分压器网络中的底部电阻，如数据手册所示
VOUT：所需输出电压
VFB：调节反馈电压

图3.可调电阻分压器网络配置。

功耗

在特定工况下，输出功率P外固定在给定的输出电压 V 下外和负载电流 I外，并且系统的功率损耗 PLOSS 越小，效率η越高 （η = P外/（P外+ P损失)).电感的功率损耗包括直流传导损耗（I外2×·EC3）和交流磁芯损耗，由电感器制造商在公式（11）中忽略的特定电感功率模型上提供。

开关稳压器IC上的功耗表示为：

其中参数为：
VOUT：稳压输出电压
D：由公式（2）得出的占空比
ILOAD：IC所需的负载电流
η：调节器的效率
RDCR：电感直流电阻

器件内部的功耗转化为热量，提高了结温。芯片TJ的结温超过工作温度T 的最大极限杰马克斯在数据手册中注明，并降低使用寿命并影响产品可靠性。

估算给定环境温度T下的结温一个:

其中参数为：
TA：环境温度
ΘJA：数据手册中建议的结点对环境的热阻
PLOSS：公式（11）中器件内部的功率损耗

审核编辑：郭婷