手撕Boost！Boost公式推導(dǎo)及實驗驗證
[導(dǎo)讀]前一段時間寫了一下Buck電路的振鈴，不少同學(xué)給我留了作業(yè)，讓我說說Boost。今天就來看看Boost電路。我們知道，不論是buck，還是boost電路，總會有一些公式，用得最多的就是電感的感量計算，電流紋波，輸入電壓紋波大小，輸出電壓紋波大小等等。這些公式，在我們設(shè)計的時候會去...
前一段時間寫了一下Buck電路的振鈴，不少同學(xué)給我留了作業(yè)，讓我說說Boost。今天就來看看Boost電路。
我們知道，不論是buck，還是boost電路，總會有一些公式，用得最多的就是電感的感量計算，電流紋波，輸入電壓紋波大小，輸出電壓紋波大小等等。這些公式，在我們設(shè)計的時候會去算一算，很多的DCDC的芯片手冊里面也會有這些公式。??就我自己而言，我是很討厭背公式的，相信大家也一樣。?所以最好的方式莫過于充分理解電路的工作原理，甚至于可以自己推導(dǎo)出這些公式。
我們?nèi)绻斫饬诉@些公式，那么就理解了Boost電路各個地方的電流，電壓是怎么樣的，遇到一些問題，就可以不用去看公式就能知道為什么會這樣。
比如電感感量增大，會怎么樣？
電容容量增大會怎么樣？
工作頻率的大小又有哪些影響呢？
所以，推導(dǎo)公式是為了擺脫公式。
另外，計算之后，我們會發(fā)現(xiàn)：
計算結(jié)果跟實測結(jié)果經(jīng)常差的比較多？根本就不準(zhǔn)？為什么呢？
這些問題，本文都會說一說。?Boost的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
我們先來看拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一切信息都在這個里面。
首先說下最基本的一個工作原理。
上圖中MOS管就是一個開關(guān)，只要這個速度夠快（開關(guān)頻率夠高），控制好導(dǎo)通與關(guān)斷時間（充放電時間），配合輸出濾波電容，就可以得到基本穩(wěn)定的Vo了，也就是輸出電壓。
我們來簡單看一下過程。
在開關(guān)導(dǎo)通的時候，電感L接地，二極管截止，Vi對電感L進(jìn)行充電，電感兩端電壓是Vi。
在開關(guān)變?yōu)椴粚?dǎo)通的時候，因為之前電感L已經(jīng)被充電了，有電流流過，電流向右，電感兩端電流不能突變，所以會感應(yīng)出電壓，讓右側(cè)的二極管導(dǎo)通。
輸出電壓Vo恒定，二極管導(dǎo)通壓降為Vd，所以電感右端電壓為Vo Vd，電感左端電壓是電源輸入Vi。這是升壓boost電路， 所以Vo Vd>Vi，電感此時放電，給負(fù)載供電，以及給輸出濾波電容充電。
并且，此時電感的兩端電壓是右邊電壓Vo Vd減去左邊電壓Vi，即：Vo Vd-Vi
?來個前菜加深理解
Boost電路是升壓電路，是直流轉(zhuǎn)直流，不考慮紋波電壓的話，Vi和Vo都是恒定的，Vo大于Vi。?在開關(guān)導(dǎo)通的時候
電感L一端是恒定電壓Vi，另外一端接地。這說明在開關(guān)導(dǎo)通的時候，電感L兩端的電壓是恒定不變的，就是Vi。
根據(jù)電感最最最最基本的公式：U=L*di/dt。
（雖然我不喜歡背公式，但是這個公式我覺得是電感最重要的了，我之前還專門講過，它可以推導(dǎo)出電感儲能公式等等。同樣，電容的最重要的公式：i=C*du/dt。）
好，電感兩端電壓U=Vi不變，電感量L也是常數(shù)，所以呢，di/dt=U/L=常數(shù)，這不就是說電流隨時間線性變化嗎？
如果我們規(guī)定電流流向負(fù)載的方向是正，根據(jù)電感此時電壓，是左邊大于右邊，所以電感的電流是線性增大的。
當(dāng)開關(guān)斷開的時候
電感兩端的電壓U=Vo-Vi-Vd，也是恒定的，電流同樣隨時間線性變化。只不過電壓的方向是反的，右邊大于左邊，所以電感的電流是線性減小的。
開關(guān)導(dǎo)通，電感電流線性增大。
開關(guān)斷開，電感電流線性減小。
我第一次看到電感電流波形是這樣的時候，我就覺得好巧啊，怎么就一定是線性上升呢？不是曲線上升？
現(xiàn)在自然是知道了，當(dāng)然，知道也好像沒什么卵用，那說點兒有用的。?我們在電感選型的時候，一定知道有個參數(shù)叫飽和電流吧。
我們會要求，電感的峰值電流不能超過電感的飽和電流。?為啥是峰值電流，不是有效值電流？?因為，我們一般認(rèn)為電感的感量是不變的，但是實際情況是，電流大到一定程度的時候，電感量L會隨電流的增大而減小，所以會有電感飽和電流這一說。
并且，隨著電感電流的繼續(xù)增大，電感量下降速度加快。
我們復(fù)習(xí)下電感這個曲線，很多電感手冊都有，電感的飽和電流是指電感感量下降了標(biāo)稱值的30%（不同廠家這個值有差異）的時候的電流。
?
如果選型的電感飽和電流太小會怎么樣呢？
開關(guān)導(dǎo)通，電感電流增大，增大到飽和電流的時候，那么L會快速減小，意味著di/dt=U/L快速增大。
也就是說，di/dt變大了，即電感電流隨時間更快的增大。
電流更大了，那么進(jìn)一步電感感量L更小了，di/dt更更更大了，電流又更更更大了。
如此，電流就突破天際了，這就悲劇了。
簡單畫個圖，感受一下。
好了，根據(jù)前面的分析，我們還是畫出幾個關(guān)鍵點處的電壓和電流波形吧，這應(yīng)該是沒什么難度的，最難的應(yīng)該屬于那個電感電流的波形了，我們也解釋過了。
開始推公式
我們推公式，自然是為了更好的選型，對吧。
目的為了計算出輸入電容，輸出電容，功率電感，都選擇多大的值。?為了更好的理解，我們把已知的條件都說一下。
首先是輸入電壓Vi，輸出電壓Vo，輸出電流Vo/R，咱總得知道自己想要什么吧，所以這些在設(shè)計之初都是已知的。
其次是開關(guān)頻率fs，這個在芯片選型之后就是確定的了。
再然后就是設(shè)計的目標(biāo)，輸入紋波大小△Vi，輸出紋波大小△Vo。
我們根據(jù)這些已知的量，就可以求得電感感量，輸入濾波電容大小，輸出濾波電容大小。
好，我重新把圖畫一下，如下：
因為計算的基本原理其實就是電容和電感的充放電。所以，我們首先要求的就是開關(guān)導(dǎo)通的時間和斷開的時間，或者說是占空比。?這個也非常簡單，我們可以這么想。
在開關(guān)導(dǎo)通的時候，電感兩端電壓是Vi。
在開關(guān)斷開的時候，輸出端電壓為Vo，二極管導(dǎo)通，那么電感右側(cè)就是Vo Vd，電感左側(cè)接的是電源輸入，為Vi，所以此時電感兩端電壓是Vo Vd-Vi。
整個電路穩(wěn)定之后，因為負(fù)載電流恒定，那么一個周期時間之內(nèi)，在開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增加的量，要等于開關(guān)截止時，電感電流減小的量，即電感充了多少電就要放多少電，不然負(fù)載的電流或者電壓就要發(fā)生變化。
即一個周期內(nèi)，電感電流增大量等于減小量。
然后又因為U=Ldi/dt，di/dt=U/L，L不變，所以電感電流變化速度與電壓成正比。
簡單說就是，電感電流上升或下降的斜率與電壓成正比。
斜率與電壓成正比，電感電流上升的高度與下降高度又相同，那上升時間不就和電壓成反比了嗎？
所以，自然就有了：
Ton/Toff=(Vo Vd-Vi)/Vi
我們變換一下，就得到了江湖所傳的“伏秒法則”
再根據(jù)T=Ton Toff=1/f
我們可以分別求得導(dǎo)通時間，關(guān)斷時間，占空比。
好，這里，我們已經(jīng)推出了第一部分公式。
其實從這里我們可以看到。
占空比與電感量L沒有關(guān)系，與負(fù)載電流的大小也沒有關(guān)系，只跟輸入輸出電壓有關(guān)系。?功率電感選擇
我們電感選型首先需要考慮兩個參數(shù)，電感感量和電感電流。?電感感量又決定了電感紋波電流的大小，為什么呢？
還是因為U=Ldi/dt，di/dt=U/L=電流變化斜率
所以，當(dāng)我們確定了輸入輸出電壓，那么電感兩端的電壓就是固定的，那么電感電流變化斜率與電感量成反比，電感越大，斜率越小。
一般來說，電感感量的確定，是讓電感的紋波電流△IL等于電感平均電流的20%-40%之間。
?那為什么會這樣呢？電感過大或過小會有什么影響？
如果電感感量過小，那么電感紋波電流會比較大，即流過電感電流的峰值會很高，電感飽和電流就要很高。如此同時，過大的電流，在開關(guān)切換時，會導(dǎo)致EMI問題會更加明顯。
如果電感感量過大，那么電感電流紋波會比較小，會導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)變差。?啥叫動態(tài)響應(yīng)變差？
就比如輸出一直是1A的電流，某個時刻，負(fù)載從需要1A的電流變成突然需要5A的電流。這個時候，如果電感過大，電感電流充上來需要較長時間，那么電感電流需要很多個開關(guān)周期才能升到5A，這期間，負(fù)載所需要的5A電流主要來源于輸出濾波電容的放電，會導(dǎo)致輸出電壓跌落比較多，有可能出現(xiàn)故障。
簡單說，就是這個boost不能及時響應(yīng)負(fù)載電流的快速變化。?好，我們下面來求合適的電感量?首先先求電感的平均電流IL
輸出電壓是Vo，輸出電流是Io，輸入電壓是Vi，那么根據(jù)能量守恒定律。
輸入功率*n=輸出功率。（n為效率）?輸入功率，就是電源的輸入電壓Vi乘以平均電流，顯然，從boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，電源的所有電流都會流過電感，那么這個電源輸出的平均電流也就是電感的平均電流IL。
即，Pi=Vi*IL
輸出功率
顯然，就是Po=Vo*Io
Pi*n=Po
即Vi*IL*n=Vo*Io
那么IL=Vo*Io/(Vi*n)，估算時可以取n≈80%?我在有一些文件里面看到boost電感平均電流用這個公式計算：
IL=(Vo Vd)*Io/Vi?這個公式怎么來的呢？
這個公式是假設(shè)只有二極管有損耗的，忽略其它的損耗。
如上圖，穩(wěn)態(tài)時，輸出端電容是不耗電的，電壓也不會變化，所以其平均電流為0，也就是說，流過負(fù)載的電流，全部從二極管過來。所以二極管的平均電流也是Io，導(dǎo)通壓降是Vd，那么二極管的平均功率是Pd=Io*Vd。
所以有：
Po=P負(fù)載 Pd
即：Pi=Vi*IL=Io*Vo Io*Vd
也就是：IL=(Vo Vd)*Io/Vi
對于這個Boost來說，二極管的損耗是占比比較大的，估算確實可以采用這個公式。不過我們需要記住，這個公式僅僅考慮了二極管的損耗。
我們文章后面就用這個公式來計算吧。?其次，我們來求電感的紋波電流△IL
從前面知道，電感電流就是個三角波，在開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增大，在關(guān)斷時，電感電流減小。
那紋波電流的大小求起來就簡單了，就等于在開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增大的值，也等于關(guān)斷時電感電流減小的值。
我們就計算其中一個，計算開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增大了多少吧。
這個也非常easy，開關(guān)導(dǎo)通，電感兩端電壓是Vi，導(dǎo)通時間Ton前面已經(jīng)求出來了。
根據(jù)U=Ldi/dt就可以求出電感電流紋波△IL=di
可以看到，電感電流的紋波跟負(fù)載電流的大小沒有關(guān)系。
?現(xiàn)在我們已經(jīng)寫出來了電感的平均電流IL，電感的紋波電流△IL，前面說了，△IL應(yīng)該是IL的20%-40%為宜。
即：△IL=(0.2~0.4)*IL
根據(jù)這個等式，就能求得我們的電感值范圍了。
至此，我們已經(jīng)求得了電感值的取值范圍，下面開始推導(dǎo)輸入輸出濾波電容的計算。
?輸入濾波電容
我們在確定輸入濾波電容的時候，是有一個假設(shè)的，這個假設(shè)是什么呢？輸入電源默認(rèn)來自遠(yuǎn)方，是沒法提供快速變化的電流的。
正是因為這一點，所以才有輸入濾波電容存在的必要，如果輸入電源總能快速響應(yīng)Boost的電流的需求，那還要濾波電容干什么？?比如如果用LTspice仿真，會看到，仿真軟件自己的boost示例，都是沒有輸入濾波電容的。
下圖這個LT1619仿真電路，就是沒有輸入濾波電容的，這個是官方給出的示例，不是我畫的。
這個官方仿真示例不要輸入濾波電容，原因就在于它用的電源V1是電壓源。
電壓源在仿真軟件里面的意思就是，這個IN的電壓就是3.3V，永遠(yuǎn)都是3.3V，不管后面電流咋變，反正我就能絕對的把Vin的電壓控制在3.3V，電流都能供上，你想要多大我就能提供多大，所以就不需要濾波電容了。
這一點，實際電路肯定做不到，所以需要輸入濾波電容來提供瞬態(tài)的電流需求。?那為什么實際輸入電源不能快速響應(yīng)呢？
實際應(yīng)用中，輸入電源可能距離很遠(yuǎn)，有了很長的走線，上上期《buck振鈴尖峰的實驗與分析》文章末尾已經(jīng)詳細(xì)說了，走線越長，電感就越大，這里不再贅述。
總的來說，就是相當(dāng)于遠(yuǎn)處的電源接了一個電感到boost電路的輸入端，電感電流不能突變，也就是說輸入電源不能快速響應(yīng)這個boost電流的需求。
既然等效串聯(lián)了一個電感，而且Boost電路是開關(guān)電源，頻率大概在幾百Khz，周期也就幾us左右。那么在這一個周期之內(nèi)，我們可以把電源輸入過來的電流看作是恒定不變的。
當(dāng)然，肯定有人會說，如果我的電源輸入很近，可以快速響應(yīng)，那就不對了呀？怎么電流能是恒定的呢？
這想法自然沒問題。
事實上，即使是電感，那也是阻礙電流的變化，并不是完全讓電流不能變化，所以對于動態(tài)的電流需求，還是能響應(yīng)一點的。當(dāng)然，線路電感越大，就越不容易馬上響應(yīng)，能提供的電流波形也就越平。?但是呢，我們沒法控制這個線路的電感有多大，或者有的電路，電源上面更是直接使用了LC濾波器。?既然沒法控制，我們就按照最差的情況來處理，即在一個周期內(nèi)，把電源輸入過來的電流看作是恒定不變的，Boost需要的動態(tài)電流完全由濾波電容來提供，根據(jù)這種情況選擇的輸入濾波電容，就可以滿足所有的情況了。?好，又說了一堆，回到我們的目標(biāo)：計算輸入濾波電容容量。
輸入濾波電容是用來控制輸入電壓紋波△Vi的，下面來看如何根據(jù)△Vi得到輸入濾波電容Ci的大小。?我們先理清下思路，輸入電壓紋波就是輸入電容上面的紋波變化。電容上面的紋波變化可以分成兩個部分。
一個是電容放電或者是充電，存儲了電荷量發(fā)生了變化，這個變化會導(dǎo)致電壓變化，可以用公式Q=CUq來表示，Uq即是電壓的變化。
另一個是電容有等效串聯(lián)電阻ESR，電容充放電時有電流流過，電流流過ESR會產(chǎn)生壓降，這個壓降用Uesr表示吧。
所以，電壓紋波應(yīng)該是：
△Vi=Uq Uesr?1、電容電荷量變化引起的壓降Uq
我們看輸入節(jié)點，這個節(jié)點的電流有3個，一個是來自電源輸入的，前面說了，在一個周期內(nèi)，它可以看作是恒定的，一個節(jié)點是電容，另外一個節(jié)點是電感。
根據(jù)基爾霍夫電流定律，節(jié)點電流和為0，并且電源輸入的電流恒定，那么當(dāng)電感電流的變化量必然等于電容電流的變化量，因為最終3者的和為0。?我們畫出三者的電流波形如下：
根據(jù)節(jié)點電流和為0，那么輸入電容的電流變化就是功率電感的電流變化（你增大時我減小，你減小時我增大）。我們從上圖也可以很直觀的看出來。
?顯然，電容電流大于0時，電容在充電，電容電流小于0時，電容在放電。
可以看到，電容充電和放電時間長度是一樣的，都是周期的一半，T/2。
?那充放電的電荷量是多少呢？
放電的電荷量，等于放電電流i乘以放電時間t，不過放電電流不是恒定的。從前面知道，電容放電電流它等于電感電流的變化量，所以電容電流的變化量也是△IL。
需要注意，電容電流是在大于0時充電，電流小于0時放電，也就是圖中陰影部分，充電與放電的切換的時刻并不是開關(guān)導(dǎo)通與斷開的時候，而是在中間時刻。?然后電容放電/充電的總電荷量Q等于電流乘以時間，這不就是圖中陰影三角形的面積嗎？
三角形底部是時間，充電/放電時間等于T/2
三角形的高為電感紋波電流的一半，△IL/2。
所以總放電量為Q=1/2*底*高
再結(jié)合Q=CUq，即可求得Uq了。
具體計算如下圖所示：
2、電流流過電容的ESR造成的壓降Uesr。
前面波形圖知道，電容的充電電流最大是△IL/2，放電電流最大就是-△IL/2，負(fù)號表示電流方向，方向的不同，引起的壓降的電壓也是相反的。
那么ESR引起的總的壓降是：
Uesr=△IL/2*ESR-(-△IL/2*ESR)=?△IL*ESR
最終，我們求得Uesr的公式如下：
好，我們已經(jīng)算出Uesr和Uq。
那么根據(jù)△Vi=Uesr Uq，我們就可以△Vi的表達(dá)式了，如果知道△Vi，我們也能得到輸入電容Ci的大小或者是ESR了。
這個公式看著有點復(fù)雜，有兩個參數(shù)都跟電容本身有關(guān)系，ESR和容量Ci。
?考慮到我們的電容實際使用情況
陶瓷電容ESR小，容量小，Uq對紋波起決定作用，所以可以近似△Vi=Uq
鋁電解電容容量大，ESR大，Uesr對紋波起決定作用，所以可以近似△Vi=Uesr?根據(jù)上面兩點，我們就可以去選擇合適的電容了。
陶瓷電容根據(jù)容量值去選
鋁電解電容根據(jù)ESR去選
當(dāng)然了，這一段話很多資料都有，但是很少有實際比較過Uq和Uesr的大小的，文章后面會做實驗來實際看看
?好，現(xiàn)在輸入電容的理論計算已經(jīng)搞定了，我們接著看輸出濾波電容。?輸出濾波電容
相比輸入紋波△Vi大小，我們可能更關(guān)心輸出紋波的大小，畢竟是要帶負(fù)載的。?同樣，紋波由電容電荷量變化和ESR決定。
1、電容電荷量變化引起的Uq
一個周期內(nèi)，電容的充電電荷量和放電電荷量必然一樣，我們計算出其中一個就行了。顯然，放電的時候更好計算，因為放電電流就是負(fù)載電流，是恒定的，為Io=Vo/RL。
放電的電荷量等于容量乘以電容電壓的變化，也等于放電電流乘以放電時間，即：
Q=Uq*C=Io*Ton
根據(jù)這個公式，我們就可以求得Uq了。
2、電流流過電容的ESR造成的壓降Uesr
Uesr如何計算呢？
我們調(diào)出輸出電容的電流波形就知道了。
這個波形我解釋一下。
在開關(guān)導(dǎo)通的時候，二極管不導(dǎo)通，負(fù)載的電流為Io，完全由輸出濾波電容提供，即濾波電容的放電電流也為Io，而且還是在導(dǎo)通時間里面恒定不變的。
在開關(guān)從導(dǎo)通切換到斷開時，電感的電流已經(jīng)是充到最大的，因為先前開關(guān)導(dǎo)通時電感一直在充電，所以切換時電感電流最大，且等于電感平均電流加上紋波電流的一半，即為IL △IL/2。切換時，這個已經(jīng)充好的電流會通過二極管給負(fù)載供電，負(fù)載電流為Io。同時，電感還要給電容進(jìn)行充電，根據(jù)節(jié)點電流和為0，那么電容的充電電流就是電感充到最大的電流減去負(fù)載的電流，即IL △IL/2-Io。
在開關(guān)斷開之后，電感電壓反向了，所以電感電流持續(xù)減小，也就是說二極管的電流持續(xù)減小，而負(fù)載電流不變，所以輸出濾波電容的電流持續(xù)減小。?根據(jù)上圖，在開關(guān)切換之前，電容的電流為-Io，那么ESR兩端的電壓是-Io*ESR。
在切換之后，電容的電流立馬反向，為IL △IL/2-Io，那么ESR兩端的電壓是(IL △IL/2-Io)*ESR，兩者相減，就是ESR上電壓變化量，也是ESR產(chǎn)生的紋波電壓大小。
即
Uesr=(IL △IL/2-Io)*ESR-(-Io*ESR)
= (IL △IL/2)*ESR，
好，我們已經(jīng)算出Uesr和Uq。
那么根據(jù)△Vo=Uesr Uq，我們就可以△Vo的表達(dá)式了，如果知道△Vo，我們也能得到輸出濾波電容Co的大小或者是ESR了。
與輸入濾波電容一樣，考慮到我們使用的電容類型。
陶瓷電容ESR小，容量小，Uq對紋波起決定作用，所以可以近似△Vo=Uq鋁電解電容容量大，ESR大，Uesr對紋波起決定作用，所以可以近似△Vo=Uesr?根據(jù)上面兩點，我們就可以去選擇合適的電容了。
陶瓷電容根據(jù)容量值去選
可以看到，公式里面沒有電感L，也就是說，如果使用陶瓷電容濾波，增大電感量對輸出紋波不起作用，不要傻傻去增大電感啦。
?鋁電解電容根據(jù)ESR去選
不容易啊，現(xiàn)在公式都推導(dǎo)完成了。
下面進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)，以此來檢驗上面的公式是否正確?實驗驗證?實驗已知條件及紋波要求：
使用boost芯片LT1619。
開關(guān)頻率是f=300Khz
輸入電壓Vi=3.3V
輸出電壓Vo=5V
二極管使用MBR735，導(dǎo)通電壓約為：Vd=0.5V
負(fù)載R=3Ω，負(fù)載電流Io=Vo/R=1.667A
輸入紋波要求：△Vi≤30mV
輸出紋波要求：△Vo≤50mV?1、首先需要確定電感值L
根據(jù)前面推導(dǎo)出的公式計算，可得，電感的取值范圍為：
我們求得電感的范圍是3.96uH~7.92uH。
我們?nèi)‖F(xiàn)實中常用的電感值L=6.8uH吧。
當(dāng)然，我們現(xiàn)實中電感選型也要考慮電感的飽和電流是否足夠，飽和電流要大于電感會流過的最大電流值ILmax，并且要留有一定的裕量。
顯然，這個ILmax=IL △IL/2。
我們根據(jù)前面的公式計算得ILmax=3.1A
?2、如果使用陶瓷電容濾波?先看輸入濾波電容Ci：Ci的值計算結(jié)果（忽略了ESR）如下：
可以看到，Ci要大于8.98uF。
我們?nèi)‖F(xiàn)實中常用的電容值Ci=10uF吧。
并且，在Ci=8.98uF時紋波△Vi=30mV，那么Ci=10uF時，紋波是△Vi=26.94mV,我們記住這個值，后面仿真對比使用。?再看輸出濾波電容Co：
Co的值計算結(jié)果（忽略了ESR）如下：
可以看到，Co需要大于44.45uF。
我們?nèi)‖F(xiàn)實中常用的電容值Co=47uF吧
并且，在Co=44.45uF時紋波△Vo=50mV，那么Co=47uF時，紋波是△Vo=47.29mV,我們也記住這個值，后面仿真對比。?仿真驗證：
好，現(xiàn)在電感L，輸入濾波電容Ci，輸出濾波電容Co都有了
輸入電壓：3.3V
輸出電壓：5V
L=6.8uH
Ci=10uF
Co=47uF
我們LTspice仿真電路圖如下：
有個問題先解釋一下，在電源輸入端我加了一個1uH的電感L2，就是為了讓輸入電源過來的電流基本恒定，模擬前面說的最差的情況（電源比較遠(yuǎn)）。若果沒有這個L2，那么Vin就是穩(wěn)壓源的電壓，絕對的穩(wěn)定，沒有紋波的。
我們看仿真結(jié)果：
輸入紋波電壓計算值為26.94mV，仿真值為28mV
輸出紋波電壓計算值為47.29mV，仿真值為47mV
可以看到，仿真的結(jié)果與計算值非常接近，也就驗證了計算公式的準(zhǔn)確性。?這里插一點，為了方便同志們學(xué)習(xí)boost，我將關(guān)鍵點的電壓，電流波形截圖出來了，分析Boost可以參考
有一點需要說明下：圖中二極管的電流和輸出濾波電容的電流都有一個向下的尖峰，這個尖峰是因為二極管的反向恢復(fù)時間造成的
即二極管電壓反向，它不能馬上恢復(fù)截止功能的，需要時間，這個時間就是反向恢復(fù)時間，在這個時間里面，二極管可以通過較大的反向電流，所以就有了較大的反向電流存在。
文末會給出仿真的源文件，感興趣的同學(xué)可以自己玩一玩，不同類型的二極管反向恢復(fù)時間不同，向下的尖峰也是不一樣的，這里就不再展開了。?我們繼續(xù)
陶瓷電容ESR
陶瓷電容我們都通常說ESR很小，可以忽略，前面的計算也是忽略。
不過想必大家也肯定想過，總說ESR小，影響小，那到底有多小？?我們上面用了兩個陶瓷電容，10uF和47uF，那我們查查這兩個電容的ESR情況。
這里我找了兩個型號：
10uF/10V：GRM188B31A106ME69
47uF/10V：GRM21BR61A476ME15
10uF電容的ESR是4mΩ，47uF電容的ESR是3mΩ?我們還是先計算一下，ESR對紋波的貢獻(xiàn)有多少。?輸入10uF電容的ESR是4mΩ，引入的紋波電壓是
相比于容量引起的紋波26.94mV，這個約為十分之一左右，確實很小。兩者加起來，新的△Vi=26.94 2.6=29.54mV?輸出47uF電容的ESR是3mΩ，引入的紋波電壓
相比于容量引起的紋波47.29mv，這個也是比較小的，大約是五分之一吧，但似乎達(dá)不到可以忽略的地步。
兩者加起來，新的△Vo=47.29 9.3=56.59mV?下面我們把ESR加入到電路中
運行一下，結(jié)果如下圖：
加入ESR之后，可以看到，輸入紋波電壓還是28mV，基本沒有變化，不過與計算值29.54mV也差得不多。
這個輸入紋波加了ESR基本沒變化，確實是有原因的。
原因是因為輸入濾波電容的電流是變化的，我們計算的是Uesr的最大值，出現(xiàn)最大值的時刻并不在電容放電完成后的時刻（放電完成時Uq產(chǎn)生的壓降最大）。放電完成的時刻電容電流為0，ESR上面沒有壓降，所以基本就不變了，所以咱們看到的就是△Vi沒變化。
不過這個也不用細(xì)細(xì)區(qū)深究，本身Uesr太小了，影響不大。?這個問題在輸出濾波電容上面不會出現(xiàn)，因為輸出濾波電容是一直有電流的，這個可以從前面的波形圖看出來，所以最終的紋波，是可以將Uesr和Uq直接相加的
因此，我們可以看到，輸出濾波電容的紋波電壓仿真是56mV，與計算值56.59mV也是非常接近的，增加ESR后，紋波實打?qū)嵲黾恿?mV左右。
而且，可以看到，輸出紋波在底部有一個突然的上升，這個就是電容電流突然變化，在ESR上面產(chǎn)生的壓降，大致也可以看到是9mV左右。?另一方面，這個波形與我們實際測試想比，還差了點啥？?實際測試經(jīng)常有毛刺對吧，這里面看不到?仿真軟件，其實就是使用計算機進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，一般是不會出錯的，不準(zhǔn)確肯定是模型不夠準(zhǔn)確。
很容易想到，仿真圖里面電容等效一個理想電容和ESR電阻串聯(lián)構(gòu)成，這跟真實的電容還是有差距的，怎么說也會有寄生電感存在吧。?我就不手動添加寄生電感了，直接使用廠家提供的電容spice模型吧。
仿真結(jié)果如下圖：
輸入還是沒毛刺，輸出毛刺出來了，是不是有點兒意思呢？
算上毛刺，輸出紋波大小大概是250mV，這是預(yù)想的50mV的5倍。?先來看毛刺吧，毛刺是怎么出來的呢？
其實這個很容易，從前面分析知道，輸入電容和輸出電容的電流波形如下：
由圖可知，輸入濾波電容的電流是沒有突變的（有拐點，但是是連續(xù)的），而輸出濾波電容的電流是有突變的（由負(fù)突然變?yōu)檎?/p>
我們知道電容都是有各種寄生參數(shù)的，自然也有寄生電感存在，突變的電流意味著di/dt很大，這必然會在寄生電感上面產(chǎn)生高的電壓，也就是圖中的毛刺。?如何搞定這個毛刺？
去掉是不可能的，這輩子都不可能，只能降低幅度。
我們在輸出端加一個100nF小電容，電路圖變?yōu)槿缦拢?/p>
輸出紋波如下：
可以看到，毛刺下降了，總的紋波從250mV下降到了160mV左右，效果是有的。?毛刺還是有點大，怎么辦？
簡單啊，再增加一個100nF電容，總共放兩個100nf濾波電容，是這樣嗎？仿真一下，發(fā)現(xiàn)紋波變成了110mV左右，確實有減小。
所以，我們想要降低毛刺，可以多并聯(lián)幾個100nF的小電容。?想必到這里，應(yīng)該知道boost后面為什么有大電容也有小電容了吧。大電容決定了整體紋波的大?。ㄈサ裘淌Ｏ碌模‰娙菔菫榱私档兔痰摹?/p>?除了毛刺這個問題，我們發(fā)現(xiàn)，使用了spice文件構(gòu)建的電容之后，輸入紋波和輸出紋波都變大了，而且還是變大不少的。
輸入紋波從28mV變到了35mV。
輸出紋波從56mV變到了83mV（不算毛刺）。?使用spice文件生成的電容模型的仿真結(jié)果肯定是更為準(zhǔn)確的，它是廠家提供的，能更真實的還原電容的特性。
我們前面的計算公式是從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推出來的，只考慮了電容的容量C和ESR，所以是一個理想的結(jié)果。
雖說算出來與實際結(jié)果有差距，但是還是有其意義的，至少我們知道了紋波大概在多少mv，我們留好裕量就好了。?那這個裕量留多少？2倍嗎？
比如計算輸出濾波電容47uF，但是仿真紋波比50mV大不少，達(dá)到了83mV，那我使用100uF的濾波電容，容量提升了2倍，應(yīng)該可以控制在50mV以內(nèi)吧。?選用標(biāo)稱值為100uF/10V的MLCC陶瓷電容可以嗎？?答案是：no！no！no！?陶瓷電容有一個特性，就是容量會隨所加的電壓發(fā)生變化，這個變化很大??！這個特性叫直流偏壓特性，MLCC有這個特性，鋁電解電容沒這個。
上圖是GRM32ER61A107ME20（100uF/10V）的電容曲線。
我們輸出電壓是5V，在5V時，這個電容的實際容量只有標(biāo)稱值的50%，也就是說只有50uF左右。
所以，選擇100uF/10V是不行的，應(yīng)該要選擇更大容量的電容，比如200uF。或者是2個100uF的電容并聯(lián)，這樣真正的有效容量才會有100uF。?另外一方面，這個是耐壓10V的電容，在5V使用時，有效容量只剩下50%，如果輸出是7V，容量就只剩下30%了，也就說必須選擇更大容量的電容。
或者說選用耐壓值更高的電容，這樣有效電容量更高。?關(guān)于Boost使用陶瓷電容濾波，我們小結(jié)一下：
1、我們使用公式計算出的電容量大小，往往是偏小的，真實紋波要比計算值要高一些。
2、MLCC陶瓷電容的直流偏壓特性，因此使用時，往往實際容量要比標(biāo)稱值小很多。
3、boost輸出會容易產(chǎn)生高頻毛刺，需要加小電容降低毛刺。因此，設(shè)計時，真正的電容要比計算的大，紋波要求嚴(yán)格的地方，可能需要4-5倍。?說完了使用陶瓷電容的情況，那使用鋁電解電容會怎么樣呢？?3、使用鋁電解電容濾波
還是先來計算一番
鋁電解電容的ESR比較大，所以紋波主要由ESR決定，因此我們忽略容量的影響。?輸入濾波電容ESR
即輸入濾波電容的ESR如果控制在46mΩ，那么輸入紋波電壓可以控制在30mV?輸出濾波電容ESR
即輸出濾波電容的ESR如果控制在16mΩ，那么能將輸出紋波電壓控制在50mV?如果我們使用常規(guī)的Low ESR鋁電解電容，比如Leon的VZH系列
可以看到，滿足輸入46mΩ的電容容量非常大，都到了1500uF以上。滿足輸出16mΩ的濾波電容都沒有。?所以說，常規(guī)的鋁電解電容用在開關(guān)電源上面濾波，效果是比較差的，紋波很難控制得比較低。?不過，也有一種電容叫做固態(tài)鋁電解電容，已經(jīng)是在廣泛使用的。?假定我們現(xiàn)在選用尼吉康的PCF系列鋁固態(tài)電解電容。
可以看到，33uF的可以大致是可以滿足輸入紋波要求，330uF大致是可以滿足輸出的紋波要求得。
從官網(wǎng)上面下載這330uF電容的spice文件（PCF1A331MCL4GS），接到輸出端濾波（輸入就不看了），同時加了2個100nF的電容，構(gòu)建仿真電路圖。
仿真結(jié)果如下：
可以看到，不算毛刺紋波不高，但是毛刺振蕩非常明顯，加了2個100nF濾波也只能控制在300mV左右。
現(xiàn)在討論不算毛刺的紋波也沒有意義了，因為去不掉，我們肯定是看總的輸出噪聲是300mV，這個有點大。?這個原因應(yīng)該是固態(tài)電容的等效串聯(lián)電感太大，我比較了一下這個電容和前面的47uF陶瓷電容的spice文件，確實是固態(tài)電容的電感更大的。?所以，總的來說，不論是鋁電解電容，還是固態(tài)電容，都是沒有陶瓷電容好的，這也是為什么很多dcdc芯片手冊都推薦使用陶瓷電容濾波的原因吧。?當(dāng)然，也不是說鋁電解電容不能用，因為我舉的例子負(fù)載電流達(dá)到了1.667A的，這個算是比較大的，如果負(fù)載電流減小到三分之一，輸出紋波（包括毛刺振蕩）噪聲也降低了，如下圖，降低到了110mV左右，紋波要求不嚴(yán)格的話也可以用了。
?這里有一個使用電解電容濾波，輸出振蕩很嚴(yán)重的例子，有興趣可以看看，我覺得他如果將鋁電解換成陶瓷電容濾波，可能會改善很多，鏈接如下：
https://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread
我們知道，不論是buck，還是boost電路，總會有一些公式，用得最多的就是電感的感量計算，電流紋波，輸入電壓紋波大小，輸出電壓紋波大小等等。這些公式，在我們設(shè)計的時候會去算一算，很多的DCDC的芯片手冊里面也會有這些公式。??就我自己而言，我是很討厭背公式的，相信大家也一樣。?所以最好的方式莫過于充分理解電路的工作原理，甚至于可以自己推導(dǎo)出這些公式。
我們?nèi)绻斫饬诉@些公式，那么就理解了Boost電路各個地方的電流，電壓是怎么樣的，遇到一些問題，就可以不用去看公式就能知道為什么會這樣。
比如電感感量增大，會怎么樣？
電容容量增大會怎么樣？
工作頻率的大小又有哪些影響呢？
所以，推導(dǎo)公式是為了擺脫公式。
另外，計算之后，我們會發(fā)現(xiàn)：
計算結(jié)果跟實測結(jié)果經(jīng)常差的比較多？根本就不準(zhǔn)？為什么呢？
這些問題，本文都會說一說。?Boost的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
我們先來看拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一切信息都在這個里面。
首先說下最基本的一個工作原理。
上圖中MOS管就是一個開關(guān)，只要這個速度夠快（開關(guān)頻率夠高），控制好導(dǎo)通與關(guān)斷時間（充放電時間），配合輸出濾波電容，就可以得到基本穩(wěn)定的Vo了，也就是輸出電壓。
我們來簡單看一下過程。
在開關(guān)導(dǎo)通的時候，電感L接地，二極管截止，Vi對電感L進(jìn)行充電，電感兩端電壓是Vi。
在開關(guān)變?yōu)椴粚?dǎo)通的時候，因為之前電感L已經(jīng)被充電了，有電流流過，電流向右，電感兩端電流不能突變，所以會感應(yīng)出電壓，讓右側(cè)的二極管導(dǎo)通。
輸出電壓Vo恒定，二極管導(dǎo)通壓降為Vd，所以電感右端電壓為Vo Vd，電感左端電壓是電源輸入Vi。這是升壓boost電路， 所以Vo Vd>Vi，電感此時放電，給負(fù)載供電，以及給輸出濾波電容充電。
并且，此時電感的兩端電壓是右邊電壓Vo Vd減去左邊電壓Vi，即：Vo Vd-Vi
?來個前菜加深理解
Boost電路是升壓電路，是直流轉(zhuǎn)直流，不考慮紋波電壓的話，Vi和Vo都是恒定的，Vo大于Vi。?在開關(guān)導(dǎo)通的時候
電感L一端是恒定電壓Vi，另外一端接地。這說明在開關(guān)導(dǎo)通的時候，電感L兩端的電壓是恒定不變的，就是Vi。
根據(jù)電感最最最最基本的公式：U=L*di/dt。
（雖然我不喜歡背公式，但是這個公式我覺得是電感最重要的了，我之前還專門講過，它可以推導(dǎo)出電感儲能公式等等。同樣，電容的最重要的公式：i=C*du/dt。）
好，電感兩端電壓U=Vi不變，電感量L也是常數(shù)，所以呢，di/dt=U/L=常數(shù)，這不就是說電流隨時間線性變化嗎？
如果我們規(guī)定電流流向負(fù)載的方向是正，根據(jù)電感此時電壓，是左邊大于右邊，所以電感的電流是線性增大的。
當(dāng)開關(guān)斷開的時候
電感兩端的電壓U=Vo-Vi-Vd，也是恒定的，電流同樣隨時間線性變化。只不過電壓的方向是反的，右邊大于左邊，所以電感的電流是線性減小的。
開關(guān)導(dǎo)通，電感電流線性增大。
開關(guān)斷開，電感電流線性減小。
我第一次看到電感電流波形是這樣的時候，我就覺得好巧啊，怎么就一定是線性上升呢？不是曲線上升？
現(xiàn)在自然是知道了，當(dāng)然，知道也好像沒什么卵用，那說點兒有用的。?我們在電感選型的時候，一定知道有個參數(shù)叫飽和電流吧。
我們會要求，電感的峰值電流不能超過電感的飽和電流。?為啥是峰值電流，不是有效值電流？?因為，我們一般認(rèn)為電感的感量是不變的，但是實際情況是，電流大到一定程度的時候，電感量L會隨電流的增大而減小，所以會有電感飽和電流這一說。
并且，隨著電感電流的繼續(xù)增大，電感量下降速度加快。
我們復(fù)習(xí)下電感這個曲線，很多電感手冊都有，電感的飽和電流是指電感感量下降了標(biāo)稱值的30%（不同廠家這個值有差異）的時候的電流。
?如果選型的電感飽和電流太小會怎么樣呢？
開關(guān)導(dǎo)通，電感電流增大，增大到飽和電流的時候，那么L會快速減小，意味著di/dt=U/L快速增大。
也就是說，di/dt變大了，即電感電流隨時間更快的增大。
電流更大了，那么進(jìn)一步電感感量L更小了，di/dt更更更大了，電流又更更更大了。
如此，電流就突破天際了，這就悲劇了。
簡單畫個圖，感受一下。
好了，根據(jù)前面的分析，我們還是畫出幾個關(guān)鍵點處的電壓和電流波形吧，這應(yīng)該是沒什么難度的，最難的應(yīng)該屬于那個電感電流的波形了，我們也解釋過了。
開始推公式
我們推公式，自然是為了更好的選型，對吧。
目的為了計算出輸入電容，輸出電容，功率電感，都選擇多大的值。?為了更好的理解，我們把已知的條件都說一下。
首先是輸入電壓Vi，輸出電壓Vo，輸出電流Vo/R，咱總得知道自己想要什么吧，所以這些在設(shè)計之初都是已知的。
其次是開關(guān)頻率fs，這個在芯片選型之后就是確定的了。
再然后就是設(shè)計的目標(biāo)，輸入紋波大小△Vi，輸出紋波大小△Vo。
我們根據(jù)這些已知的量，就可以求得電感感量，輸入濾波電容大小，輸出濾波電容大小。
好，我重新把圖畫一下，如下：
因為計算的基本原理其實就是電容和電感的充放電。所以，我們首先要求的就是開關(guān)導(dǎo)通的時間和斷開的時間，或者說是占空比。?這個也非常簡單，我們可以這么想。
在開關(guān)導(dǎo)通的時候，電感兩端電壓是Vi。
在開關(guān)斷開的時候，輸出端電壓為Vo，二極管導(dǎo)通，那么電感右側(cè)就是Vo Vd，電感左側(cè)接的是電源輸入，為Vi，所以此時電感兩端電壓是Vo Vd-Vi。
整個電路穩(wěn)定之后，因為負(fù)載電流恒定，那么一個周期時間之內(nèi)，在開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增加的量，要等于開關(guān)截止時，電感電流減小的量，即電感充了多少電就要放多少電，不然負(fù)載的電流或者電壓就要發(fā)生變化。
即一個周期內(nèi)，電感電流增大量等于減小量。
然后又因為U=Ldi/dt，di/dt=U/L，L不變，所以電感電流變化速度與電壓成正比。
簡單說就是，電感電流上升或下降的斜率與電壓成正比。
斜率與電壓成正比，電感電流上升的高度與下降高度又相同，那上升時間不就和電壓成反比了嗎？
所以，自然就有了：
Ton/Toff=(Vo Vd-Vi)/Vi
我們變換一下，就得到了江湖所傳的“伏秒法則”
再根據(jù)T=Ton Toff=1/f我們可以分別求得導(dǎo)通時間，關(guān)斷時間，占空比。
好，這里，我們已經(jīng)推出了第一部分公式。
其實從這里我們可以看到。
占空比與電感量L沒有關(guān)系，與負(fù)載電流的大小也沒有關(guān)系，只跟輸入輸出電壓有關(guān)系。?功率電感選擇
我們電感選型首先需要考慮兩個參數(shù)，電感感量和電感電流。?電感感量又決定了電感紋波電流的大小，為什么呢？
還是因為U=Ldi/dt，di/dt=U/L=電流變化斜率
所以，當(dāng)我們確定了輸入輸出電壓，那么電感兩端的電壓就是固定的，那么電感電流變化斜率與電感量成反比，電感越大，斜率越小。
一般來說，電感感量的確定，是讓電感的紋波電流△IL等于電感平均電流的20%-40%之間。
?那為什么會這樣呢？電感過大或過小會有什么影響？如果電感感量過小，那么電感紋波電流會比較大，即流過電感電流的峰值會很高，電感飽和電流就要很高。如此同時，過大的電流，在開關(guān)切換時，會導(dǎo)致EMI問題會更加明顯。
如果電感感量過大，那么電感電流紋波會比較小，會導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)變差。?啥叫動態(tài)響應(yīng)變差？
就比如輸出一直是1A的電流，某個時刻，負(fù)載從需要1A的電流變成突然需要5A的電流。這個時候，如果電感過大，電感電流充上來需要較長時間，那么電感電流需要很多個開關(guān)周期才能升到5A，這期間，負(fù)載所需要的5A電流主要來源于輸出濾波電容的放電，會導(dǎo)致輸出電壓跌落比較多，有可能出現(xiàn)故障。
簡單說，就是這個boost不能及時響應(yīng)負(fù)載電流的快速變化。?好，我們下面來求合適的電感量?首先先求電感的平均電流IL
輸出電壓是Vo，輸出電流是Io，輸入電壓是Vi，那么根據(jù)能量守恒定律。
輸入功率*n=輸出功率。（n為效率）?輸入功率，就是電源的輸入電壓Vi乘以平均電流，顯然，從boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，電源的所有電流都會流過電感，那么這個電源輸出的平均電流也就是電感的平均電流IL。
即，Pi=Vi*IL
輸出功率
顯然，就是Po=Vo*Io
Pi*n=Po
即Vi*IL*n=Vo*Io
那么IL=Vo*Io/(Vi*n)，估算時可以取n≈80%?我在有一些文件里面看到boost電感平均電流用這個公式計算：
IL=(Vo Vd)*Io/Vi?這個公式怎么來的呢？
這個公式是假設(shè)只有二極管有損耗的，忽略其它的損耗。
如上圖，穩(wěn)態(tài)時，輸出端電容是不耗電的，電壓也不會變化，所以其平均電流為0，也就是說，流過負(fù)載的電流，全部從二極管過來。所以二極管的平均電流也是Io，導(dǎo)通壓降是Vd，那么二極管的平均功率是Pd=Io*Vd。
所以有：
Po=P負(fù)載 Pd
即：Pi=Vi*IL=Io*Vo Io*Vd
也就是：IL=(Vo Vd)*Io/Vi
對于這個Boost來說，二極管的損耗是占比比較大的，估算確實可以采用這個公式。不過我們需要記住，這個公式僅僅考慮了二極管的損耗。
我們文章后面就用這個公式來計算吧。?其次，我們來求電感的紋波電流△IL
從前面知道，電感電流就是個三角波，在開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增大，在關(guān)斷時，電感電流減小。
那紋波電流的大小求起來就簡單了，就等于在開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增大的值，也等于關(guān)斷時電感電流減小的值。
我們就計算其中一個，計算開關(guān)導(dǎo)通時電感電流增大了多少吧。
這個也非常easy，開關(guān)導(dǎo)通，電感兩端電壓是Vi，導(dǎo)通時間Ton前面已經(jīng)求出來了。
根據(jù)U=Ldi/dt就可以求出電感電流紋波△IL=di
可以看到，電感電流的紋波跟負(fù)載電流的大小沒有關(guān)系。
?現(xiàn)在我們已經(jīng)寫出來了電感的平均電流IL，電感的紋波電流△IL，前面說了，△IL應(yīng)該是IL的20%-40%為宜。
即：△IL=(0.2~0.4)*IL
根據(jù)這個等式，就能求得我們的電感值范圍了。
至此，我們已經(jīng)求得了電感值的取值范圍，下面開始推導(dǎo)輸入輸出濾波電容的計算。
?輸入濾波電容
我們在確定輸入濾波電容的時候，是有一個假設(shè)的，這個假設(shè)是什么呢？輸入電源默認(rèn)來自遠(yuǎn)方，是沒法提供快速變化的電流的。
正是因為這一點，所以才有輸入濾波電容存在的必要，如果輸入電源總能快速響應(yīng)Boost的電流的需求，那還要濾波電容干什么？?比如如果用LTspice仿真，會看到，仿真軟件自己的boost示例，都是沒有輸入濾波電容的。
下圖這個LT1619仿真電路，就是沒有輸入濾波電容的，這個是官方給出的示例，不是我畫的。
這個官方仿真示例不要輸入濾波電容，原因就在于它用的電源V1是電壓源。
電壓源在仿真軟件里面的意思就是，這個IN的電壓就是3.3V，永遠(yuǎn)都是3.3V，不管后面電流咋變，反正我就能絕對的把Vin的電壓控制在3.3V，電流都能供上，你想要多大我就能提供多大，所以就不需要濾波電容了。
這一點，實際電路肯定做不到，所以需要輸入濾波電容來提供瞬態(tài)的電流需求。?那為什么實際輸入電源不能快速響應(yīng)呢？
實際應(yīng)用中，輸入電源可能距離很遠(yuǎn)，有了很長的走線，上上期《buck振鈴尖峰的實驗與分析》文章末尾已經(jīng)詳細(xì)說了，走線越長，電感就越大，這里不再贅述。
總的來說，就是相當(dāng)于遠(yuǎn)處的電源接了一個電感到boost電路的輸入端，電感電流不能突變，也就是說輸入電源不能快速響應(yīng)這個boost電流的需求。
既然等效串聯(lián)了一個電感，而且Boost電路是開關(guān)電源，頻率大概在幾百Khz，周期也就幾us左右。那么在這一個周期之內(nèi)，我們可以把電源輸入過來的電流看作是恒定不變的。
當(dāng)然，肯定有人會說，如果我的電源輸入很近，可以快速響應(yīng)，那就不對了呀？怎么電流能是恒定的呢？
這想法自然沒問題。
事實上，即使是電感，那也是阻礙電流的變化，并不是完全讓電流不能變化，所以對于動態(tài)的電流需求，還是能響應(yīng)一點的。當(dāng)然，線路電感越大，就越不容易馬上響應(yīng)，能提供的電流波形也就越平。?但是呢，我們沒法控制這個線路的電感有多大，或者有的電路，電源上面更是直接使用了LC濾波器。?既然沒法控制，我們就按照最差的情況來處理，即在一個周期內(nèi)，把電源輸入過來的電流看作是恒定不變的，Boost需要的動態(tài)電流完全由濾波電容來提供，根據(jù)這種情況選擇的輸入濾波電容，就可以滿足所有的情況了。?好，又說了一堆，回到我們的目標(biāo)：計算輸入濾波電容容量。
輸入濾波電容是用來控制輸入電壓紋波△Vi的，下面來看如何根據(jù)△Vi得到輸入濾波電容Ci的大小。?我們先理清下思路，輸入電壓紋波就是輸入電容上面的紋波變化。電容上面的紋波變化可以分成兩個部分。
一個是電容放電或者是充電，存儲了電荷量發(fā)生了變化，這個變化會導(dǎo)致電壓變化，可以用公式Q=CUq來表示，Uq即是電壓的變化。
另一個是電容有等效串聯(lián)電阻ESR，電容充放電時有電流流過，電流流過ESR會產(chǎn)生壓降，這個壓降用Uesr表示吧。
所以，電壓紋波應(yīng)該是：
△Vi=Uq Uesr?1、電容電荷量變化引起的壓降Uq
我們看輸入節(jié)點，這個節(jié)點的電流有3個，一個是來自電源輸入的，前面說了，在一個周期內(nèi)，它可以看作是恒定的，一個節(jié)點是電容，另外一個節(jié)點是電感。
根據(jù)基爾霍夫電流定律，節(jié)點電流和為0，并且電源輸入的電流恒定，那么當(dāng)電感電流的變化量必然等于電容電流的變化量，因為最終3者的和為0。?我們畫出三者的電流波形如下：
根據(jù)節(jié)點電流和為0，那么輸入電容的電流變化就是功率電感的電流變化（你增大時我減小，你減小時我增大）。我們從上圖也可以很直觀的看出來。
?顯然，電容電流大于0時，電容在充電，電容電流小于0時，電容在放電。
可以看到，電容充電和放電時間長度是一樣的，都是周期的一半，T/2。
?那充放電的電荷量是多少呢？
放電的電荷量，等于放電電流i乘以放電時間t，不過放電電流不是恒定的。從前面知道，電容放電電流它等于電感電流的變化量，所以電容電流的變化量也是△IL。
需要注意，電容電流是在大于0時充電，電流小于0時放電，也就是圖中陰影部分，充電與放電的切換的時刻并不是開關(guān)導(dǎo)通與斷開的時候，而是在中間時刻。?然后電容放電/充電的總電荷量Q等于電流乘以時間，這不就是圖中陰影三角形的面積嗎？
三角形底部是時間，充電/放電時間等于T/2
三角形的高為電感紋波電流的一半，△IL/2。
所以總放電量為Q=1/2*底*高
再結(jié)合Q=CUq，即可求得Uq了。
具體計算如下圖所示：
2、電流流過電容的ESR造成的壓降Uesr。
前面波形圖知道，電容的充電電流最大是△IL/2，放電電流最大就是-△IL/2，負(fù)號表示電流方向，方向的不同，引起的壓降的電壓也是相反的。
那么ESR引起的總的壓降是：
Uesr=△IL/2*ESR-(-△IL/2*ESR)=?△IL*ESR
最終，我們求得Uesr的公式如下：
好，我們已經(jīng)算出Uesr和Uq。
那么根據(jù)△Vi=Uesr Uq，我們就可以△Vi的表達(dá)式了，如果知道△Vi，我們也能得到輸入電容Ci的大小或者是ESR了。
這個公式看著有點復(fù)雜，有兩個參數(shù)都跟電容本身有關(guān)系，ESR和容量Ci。
?考慮到我們的電容實際使用情況
陶瓷電容ESR小，容量小，Uq對紋波起決定作用，所以可以近似△Vi=Uq
鋁電解電容容量大，ESR大，Uesr對紋波起決定作用，所以可以近似△Vi=Uesr?根據(jù)上面兩點，我們就可以去選擇合適的電容了。
陶瓷電容根據(jù)容量值去選
鋁電解電容根據(jù)ESR去選
當(dāng)然了，這一段話很多資料都有，但是很少有實際比較過Uq和Uesr的大小的，文章后面會做實驗來實際看看
?好，現(xiàn)在輸入電容的理論計算已經(jīng)搞定了，我們接著看輸出濾波電容。?輸出濾波電容
相比輸入紋波△Vi大小，我們可能更關(guān)心輸出紋波的大小，畢竟是要帶負(fù)載的。?同樣，紋波由電容電荷量變化和ESR決定。
1、電容電荷量變化引起的Uq
一個周期內(nèi)，電容的充電電荷量和放電電荷量必然一樣，我們計算出其中一個就行了。顯然，放電的時候更好計算，因為放電電流就是負(fù)載電流，是恒定的，為Io=Vo/RL。
放電的電荷量等于容量乘以電容電壓的變化，也等于放電電流乘以放電時間，即：
Q=Uq*C=Io*Ton
根據(jù)這個公式，我們就可以求得Uq了。
2、電流流過電容的ESR造成的壓降Uesr
Uesr如何計算呢？
我們調(diào)出輸出電容的電流波形就知道了。
這個波形我解釋一下。
在開關(guān)導(dǎo)通的時候，二極管不導(dǎo)通，負(fù)載的電流為Io，完全由輸出濾波電容提供，即濾波電容的放電電流也為Io，而且還是在導(dǎo)通時間里面恒定不變的。
在開關(guān)從導(dǎo)通切換到斷開時，電感的電流已經(jīng)是充到最大的，因為先前開關(guān)導(dǎo)通時電感一直在充電，所以切換時電感電流最大，且等于電感平均電流加上紋波電流的一半，即為IL △IL/2。切換時，這個已經(jīng)充好的電流會通過二極管給負(fù)載供電，負(fù)載電流為Io。同時，電感還要給電容進(jìn)行充電，根據(jù)節(jié)點電流和為0，那么電容的充電電流就是電感充到最大的電流減去負(fù)載的電流，即IL △IL/2-Io。
在開關(guān)斷開之后，電感電壓反向了，所以電感電流持續(xù)減小，也就是說二極管的電流持續(xù)減小，而負(fù)載電流不變，所以輸出濾波電容的電流持續(xù)減小。?根據(jù)上圖，在開關(guān)切換之前，電容的電流為-Io，那么ESR兩端的電壓是-Io*ESR。
在切換之后，電容的電流立馬反向，為IL △IL/2-Io，那么ESR兩端的電壓是(IL △IL/2-Io)*ESR，兩者相減，就是ESR上電壓變化量，也是ESR產(chǎn)生的紋波電壓大小。
即
Uesr=(IL △IL/2-Io)*ESR-(-Io*ESR)
= (IL △IL/2)*ESR，
好，我們已經(jīng)算出Uesr和Uq。
那么根據(jù)△Vo=Uesr Uq，我們就可以△Vo的表達(dá)式了，如果知道△Vo，我們也能得到輸出濾波電容Co的大小或者是ESR了。
與輸入濾波電容一樣，考慮到我們使用的電容類型。
陶瓷電容ESR小，容量小，Uq對紋波起決定作用，所以可以近似△Vo=Uq鋁電解電容容量大，ESR大，Uesr對紋波起決定作用，所以可以近似△Vo=Uesr?根據(jù)上面兩點，我們就可以去選擇合適的電容了。
陶瓷電容根據(jù)容量值去選
可以看到，公式里面沒有電感L，也就是說，如果使用陶瓷電容濾波，增大電感量對輸出紋波不起作用，不要傻傻去增大電感啦。
?鋁電解電容根據(jù)ESR去選
不容易啊，現(xiàn)在公式都推導(dǎo)完成了。
下面進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)，以此來檢驗上面的公式是否正確?實驗驗證?實驗已知條件及紋波要求：
使用boost芯片LT1619。
開關(guān)頻率是f=300Khz
輸入電壓Vi=3.3V
輸出電壓Vo=5V
二極管使用MBR735，導(dǎo)通電壓約為：Vd=0.5V
負(fù)載R=3Ω，負(fù)載電流Io=Vo/R=1.667A
輸入紋波要求：△Vi≤30mV
輸出紋波要求：△Vo≤50mV?1、首先需要確定電感值L
根據(jù)前面推導(dǎo)出的公式計算，可得，電感的取值范圍為：
我們求得電感的范圍是3.96uH~7.92uH。
我們?nèi)‖F(xiàn)實中常用的電感值L=6.8uH吧。
當(dāng)然，我們現(xiàn)實中電感選型也要考慮電感的飽和電流是否足夠，飽和電流要大于電感會流過的最大電流值ILmax，并且要留有一定的裕量。
顯然，這個ILmax=IL △IL/2。
我們根據(jù)前面的公式計算得ILmax=3.1A
?2、如果使用陶瓷電容濾波?先看輸入濾波電容Ci：Ci的值計算結(jié)果（忽略了ESR）如下：可以看到，Ci要大于8.98uF。
我們?nèi)‖F(xiàn)實中常用的電容值Ci=10uF吧。
并且，在Ci=8.98uF時紋波△Vi=30mV，那么Ci=10uF時，紋波是△Vi=26.94mV,我們記住這個值，后面仿真對比使用。?再看輸出濾波電容Co：
Co的值計算結(jié)果（忽略了ESR）如下：
可以看到，Co需要大于44.45uF。
我們?nèi)‖F(xiàn)實中常用的電容值Co=47uF吧
并且，在Co=44.45uF時紋波△Vo=50mV，那么Co=47uF時，紋波是△Vo=47.29mV,我們也記住這個值，后面仿真對比。?仿真驗證：
好，現(xiàn)在電感L，輸入濾波電容Ci，輸出濾波電容Co都有了
輸入電壓：3.3V
輸出電壓：5V
L=6.8uH
Ci=10uF
Co=47uF
我們LTspice仿真電路圖如下：
有個問題先解釋一下，在電源輸入端我加了一個1uH的電感L2，就是為了讓輸入電源過來的電流基本恒定，模擬前面說的最差的情況（電源比較遠(yuǎn)）。若果沒有這個L2，那么Vin就是穩(wěn)壓源的電壓，絕對的穩(wěn)定，沒有紋波的。
我們看仿真結(jié)果：
輸入紋波電壓計算值為26.94mV，仿真值為28mV
輸出紋波電壓計算值為47.29mV，仿真值為47mV
可以看到，仿真的結(jié)果與計算值非常接近，也就驗證了計算公式的準(zhǔn)確性。?這里插一點，為了方便同志們學(xué)習(xí)boost，我將關(guān)鍵點的電壓，電流波形截圖出來了，分析Boost可以參考
有一點需要說明下：圖中二極管的電流和輸出濾波電容的電流都有一個向下的尖峰，這個尖峰是因為二極管的反向恢復(fù)時間造成的
即二極管電壓反向，它不能馬上恢復(fù)截止功能的，需要時間，這個時間就是反向恢復(fù)時間，在這個時間里面，二極管可以通過較大的反向電流，所以就有了較大的反向電流存在。
文末會給出仿真的源文件，感興趣的同學(xué)可以自己玩一玩，不同類型的二極管反向恢復(fù)時間不同，向下的尖峰也是不一樣的，這里就不再展開了。?我們繼續(xù)
陶瓷電容ESR
陶瓷電容我們都通常說ESR很小，可以忽略，前面的計算也是忽略。
不過想必大家也肯定想過，總說ESR小，影響小，那到底有多小？?我們上面用了兩個陶瓷電容，10uF和47uF，那我們查查這兩個電容的ESR情況。
這里我找了兩個型號：
10uF/10V：GRM188B31A106ME69
47uF/10V：GRM21BR61A476ME15
10uF電容的ESR是4mΩ，47uF電容的ESR是3mΩ?我們還是先計算一下，ESR對紋波的貢獻(xiàn)有多少。?輸入10uF電容的ESR是4mΩ，引入的紋波電壓是
相比于容量引起的紋波26.94mV，這個約為十分之一左右，確實很小。兩者加起來，新的△Vi=26.94 2.6=29.54mV?輸出47uF電容的ESR是3mΩ，引入的紋波電壓
相比于容量引起的紋波47.29mv，這個也是比較小的，大約是五分之一吧，但似乎達(dá)不到可以忽略的地步。
兩者加起來，新的△Vo=47.29 9.3=56.59mV?下面我們把ESR加入到電路中
運行一下，結(jié)果如下圖：
加入ESR之后，可以看到，輸入紋波電壓還是28mV，基本沒有變化，不過與計算值29.54mV也差得不多。
這個輸入紋波加了ESR基本沒變化，確實是有原因的。
原因是因為輸入濾波電容的電流是變化的，我們計算的是Uesr的最大值，出現(xiàn)最大值的時刻并不在電容放電完成后的時刻（放電完成時Uq產(chǎn)生的壓降最大）。放電完成的時刻電容電流為0，ESR上面沒有壓降，所以基本就不變了，所以咱們看到的就是△Vi沒變化。
不過這個也不用細(xì)細(xì)區(qū)深究，本身Uesr太小了，影響不大。?這個問題在輸出濾波電容上面不會出現(xiàn)，因為輸出濾波電容是一直有電流的，這個可以從前面的波形圖看出來，所以最終的紋波，是可以將Uesr和Uq直接相加的
因此，我們可以看到，輸出濾波電容的紋波電壓仿真是56mV，與計算值56.59mV也是非常接近的，增加ESR后，紋波實打?qū)嵲黾恿?mV左右。
而且，可以看到，輸出紋波在底部有一個突然的上升，這個就是電容電流突然變化，在ESR上面產(chǎn)生的壓降，大致也可以看到是9mV左右。?另一方面，這個波形與我們實際測試想比，還差了點啥？?實際測試經(jīng)常有毛刺對吧，這里面看不到?仿真軟件，其實就是使用計算機進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，一般是不會出錯的，不準(zhǔn)確肯定是模型不夠準(zhǔn)確。
很容易想到，仿真圖里面電容等效一個理想電容和ESR電阻串聯(lián)構(gòu)成，這跟真實的電容還是有差距的，怎么說也會有寄生電感存在吧。?我就不手動添加寄生電感了，直接使用廠家提供的電容spice模型吧。
仿真結(jié)果如下圖：
輸入還是沒毛刺，輸出毛刺出來了，是不是有點兒意思呢？
算上毛刺，輸出紋波大小大概是250mV，這是預(yù)想的50mV的5倍。?先來看毛刺吧，毛刺是怎么出來的呢？
其實這個很容易，從前面分析知道，輸入電容和輸出電容的電流波形如下：
由圖可知，輸入濾波電容的電流是沒有突變的（有拐點，但是是連續(xù)的），而輸出濾波電容的電流是有突變的（由負(fù)突然變?yōu)檎?/p>
我們知道電容都是有各種寄生參數(shù)的，自然也有寄生電感存在，突變的電流意味著di/dt很大，這必然會在寄生電感上面產(chǎn)生高的電壓，也就是圖中的毛刺。?如何搞定這個毛刺？
去掉是不可能的，這輩子都不可能，只能降低幅度。
我們在輸出端加一個100nF小電容，電路圖變?yōu)槿缦拢?/p>
輸出紋波如下：
可以看到，毛刺下降了，總的紋波從250mV下降到了160mV左右，效果是有的。?毛刺還是有點大，怎么辦？
簡單啊，再增加一個100nF電容，總共放兩個100nf濾波電容，是這樣嗎？仿真一下，發(fā)現(xiàn)紋波變成了110mV左右，確實有減小。
所以，我們想要降低毛刺，可以多并聯(lián)幾個100nF的小電容。?想必到這里，應(yīng)該知道boost后面為什么有大電容也有小電容了吧。大電容決定了整體紋波的大?。ㄈサ裘淌Ｏ碌模‰娙菔菫榱私档兔痰摹?/p>?除了毛刺這個問題，我們發(fā)現(xiàn)，使用了spice文件構(gòu)建的電容之后，輸入紋波和輸出紋波都變大了，而且還是變大不少的。
輸入紋波從28mV變到了35mV。
輸出紋波從56mV變到了83mV（不算毛刺）。?使用spice文件生成的電容模型的仿真結(jié)果肯定是更為準(zhǔn)確的，它是廠家提供的，能更真實的還原電容的特性。
我們前面的計算公式是從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推出來的，只考慮了電容的容量C和ESR，所以是一個理想的結(jié)果。
雖說算出來與實際結(jié)果有差距，但是還是有其意義的，至少我們知道了紋波大概在多少mv，我們留好裕量就好了。?那這個裕量留多少？2倍嗎？
比如計算輸出濾波電容47uF，但是仿真紋波比50mV大不少，達(dá)到了83mV，那我使用100uF的濾波電容，容量提升了2倍，應(yīng)該可以控制在50mV以內(nèi)吧。?選用標(biāo)稱值為100uF/10V的MLCC陶瓷電容可以嗎？?答案是：no！no！no！?陶瓷電容有一個特性，就是容量會隨所加的電壓發(fā)生變化，這個變化很大??！這個特性叫直流偏壓特性，MLCC有這個特性，鋁電解電容沒這個。
上圖是GRM32ER61A107ME20（100uF/10V）的電容曲線。
我們輸出電壓是5V，在5V時，這個電容的實際容量只有標(biāo)稱值的50%，也就是說只有50uF左右。
所以，選擇100uF/10V是不行的，應(yīng)該要選擇更大容量的電容，比如200uF。或者是2個100uF的電容并聯(lián)，這樣真正的有效容量才會有100uF。?另外一方面，這個是耐壓10V的電容，在5V使用時，有效容量只剩下50%，如果輸出是7V，容量就只剩下30%了，也就說必須選擇更大容量的電容。
或者說選用耐壓值更高的電容，這樣有效電容量更高。?關(guān)于Boost使用陶瓷電容濾波，我們小結(jié)一下：
1、我們使用公式計算出的電容量大小，往往是偏小的，真實紋波要比計算值要高一些。
2、MLCC陶瓷電容的直流偏壓特性，因此使用時，往往實際容量要比標(biāo)稱值小很多。
3、boost輸出會容易產(chǎn)生高頻毛刺，需要加小電容降低毛刺。因此，設(shè)計時，真正的電容要比計算的大，紋波要求嚴(yán)格的地方，可能需要4-5倍。?說完了使用陶瓷電容的情況，那使用鋁電解電容會怎么樣呢？?3、使用鋁電解電容濾波
還是先來計算一番
鋁電解電容的ESR比較大，所以紋波主要由ESR決定，因此我們忽略容量的影響。?輸入濾波電容ESR
即輸入濾波電容的ESR如果控制在46mΩ，那么輸入紋波電壓可以控制在30mV?輸出濾波電容ESR
即輸出濾波電容的ESR如果控制在16mΩ，那么能將輸出紋波電壓控制在50mV?如果我們使用常規(guī)的Low ESR鋁電解電容，比如Leon的VZH系列
可以看到，滿足輸入46mΩ的電容容量非常大，都到了1500uF以上。滿足輸出16mΩ的濾波電容都沒有。?所以說，常規(guī)的鋁電解電容用在開關(guān)電源上面濾波，效果是比較差的，紋波很難控制得比較低。?不過，也有一種電容叫做固態(tài)鋁電解電容，已經(jīng)是在廣泛使用的。?假定我們現(xiàn)在選用尼吉康的PCF系列鋁固態(tài)電解電容。
可以看到，33uF的可以大致是可以滿足輸入紋波要求，330uF大致是可以滿足輸出的紋波要求得。
從官網(wǎng)上面下載這330uF電容的spice文件（PCF1A331MCL4GS），接到輸出端濾波（輸入就不看了），同時加了2個100nF的電容，構(gòu)建仿真電路圖。
仿真結(jié)果如下：
可以看到，不算毛刺紋波不高，但是毛刺振蕩非常明顯，加了2個100nF濾波也只能控制在300mV左右。
現(xiàn)在討論不算毛刺的紋波也沒有意義了，因為去不掉，我們肯定是看總的輸出噪聲是300mV，這個有點大。?這個原因應(yīng)該是固態(tài)電容的等效串聯(lián)電感太大，我比較了一下這個電容和前面的47uF陶瓷電容的spice文件，確實是固態(tài)電容的電感更大的。?所以，總的來說，不論是鋁電解電容，還是固態(tài)電容，都是沒有陶瓷電容好的，這也是為什么很多dcdc芯片手冊都推薦使用陶瓷電容濾波的原因吧。?當(dāng)然，也不是說鋁電解電容不能用，因為我舉的例子負(fù)載電流達(dá)到了1.667A的，這個算是比較大的，如果負(fù)載電流減小到三分之一，輸出紋波（包括毛刺振蕩）噪聲也降低了，如下圖，降低到了110mV左右，紋波要求不嚴(yán)格的話也可以用了。
?這里有一個使用電解電容濾波，輸出振蕩很嚴(yán)重的例子，有興趣可以看看，我覺得他如果將鋁電解換成陶瓷電容濾波，可能會改善很多，鏈接如下：https://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread
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