图 1-1 显示了升压转换器集成开关后的基本配置。通常，较低功耗的转换器会将二极管替换为集成到转换器中的第二个开关。如果是这种情况，除了二极管的功率耗散公式之外，本文档中的所有公式都适用。

图 1-1 升压转换器功率级

在计算功率级时需要使用以下四个参数：

1. 输入电压范围：V_IN(min) 和 V_IN(max)
2. 标称输出电压：V_OUT
3. 最大输出电流：I_OUT(max)
4. 用于构建升压转换器的集成电路。这是必要的，因为必须从数据表中找到某些用于计算的参数。

如果已知这些参数，就可以计算功率级。

计算开关电流的第一步是确定最小输入电压的占空比 D。使用了最小输入电压，因为这会产生最大开关电流。

Equation1.

V_IN(min) = 最小输入电压
V_OUT = 所需输出电压
η = 转换器效率，例如估计为 80%

由于转换器还必须提供耗散的能量，因此效率需添加到占空比计算中。与没有效率因子的公式相比，此计算提供了更真实的占空比。

可以使用估算系数（例如 80%）（在最坏的情况下，这种升压转换器效率是有可能的），也可以参阅所选转换器数据表的典型特性 部分
（参考文献 3 和 4）。

计算最大开关电流的下一步是确定电感器纹波电流。在转换器数据表中，通常会指定一个特定的电感器或一系列电感器，与 IC 配合使用。因此，要么使用建议的电感器值来计算纹波电流，要么使用建议范围中间的电感器值进行计算，如果数据表中没有给出，请使用本应用手册电感器选型 部分中计算得出的值。

Equation2.

V_IN(min) = 最小输入电压
D = Equation1 中计算得出的占空比
f_S = 转换器的最小开关频率
L = 选定的电感器值

现在，必须确定所选 IC 是否能够提供最大输出电流。

Equation3.

I_LIM(min) = 集成开关电流限制的最小值（在数据表中给出）
ΔI_L = 使用Equation2 计算的电感器纹波电流
D = 使用Equation1 计算的占空比

如果所选 IC 计算出的最大输出电流值 I_MAXOUT 低于系统要求的最大输出电流，则必须使用另一个具有更高开关电流限制的 IC。

仅当 I_MAXOUT 的计算值略小于所需值时，才有可能将所选 IC 与具有更高电感的电感器配合使用（电感值仍在建议范围内）。较高的电感可降低纹波电流，从而增加所选 IC 的最大输出电流。

如果计算得出的值高于应用的最大输出电流，则系统中的最大开关电流计算方式为：

Equation4.

ΔI_L = 使用Equation2 计算的电感器纹波电流
I_OUT(max) = 应用中需要的最大输出电流
D = 使用Equation1 计算的占空比

这是峰值电流，是电感器、集成开关和外部二极管必须承受的电流。

数据表通常会提供建议的电感器值范围。对于这种情况，建议从该范围中选择电感器。电感器值越高，最大输出电流就越高，因为纹波电流较小。

电感器值越低，解决方案尺寸就越小。请注意，电感器的额定电流必须始终高于Equation4 给出的最大电流，因为电流会随着电感的降低而增加。

对于未提供电感器范围的器件，以下公式可以很好地估算合适的电感器：

Equation5.

V_IN = 典型输入电压
V_OUT = 所需输出电压
f_S = 转换器的最小开关频率
ΔI_L = 电感器预估纹波电流，见下

电感器纹波电流不能通过Equation1 计算，因为电感器是未知的。电感器纹波电流的合理估算值为输出电流的 20% 至 40%。

Equation6.

ΔI_L = 预估的电感器纹波电流
I_OUT(max) = 应用中需要的最大输出电流

为了降低损耗，应使用肖特基二极管。所需的正向电流额定值等于最大输出电流：

Equation7.

I_F = 整流器二极管的平均正向电流
I_OUT(max) = 应用中需要的最大输出电流

肖特基二极管的峰值电流额定值比平均额定值高得多。因此系统中的较高峰值电流不是问题。

必须检查的另一个参数是二极管的功率耗散。它必须处理：

Equation8.

I_F = 整流器二极管的平均正向电流
V_F = 整流器二极管的正向电压

几乎所有转换器都使用电阻分压器网络设置输出电压（固定输出电压转换器会集成该网络）。

利用给定的反馈电压 V_FB 和反馈偏置电流 I_FB，可以计算分压器的值。

图 5-1 用于设置输出电压的电阻分压器

流经电阻分压器的电流应至少为反馈偏置电流的 100 倍：

Equation9.

I_R1/2 = 流经电阻分压器并到达 GND 的电流
I_FB = 数据表提供的反馈偏置电流

这会使电压测量增加小于 1% 的误差。电流也会高得多。电阻值较小的唯一缺点是，电阻分压器中的功率损耗较高，但精度会略有提高。

根据上述假设，电阻器的计算方法如下：

Equation10.

Equation11.

R₁、R₂ = 电阻分压器，请参阅图 5-1。
V_FB = 数据表中的反馈电压
I_R1/2 = 流经电阻分压器至 GND 的电流，计算公式为Equation9
V_OUT = 所需输出电压

数据表中通常会提供输入电容器的最小值。由于开关电源的峰值电流要求，这个最小值对于稳定输入电压是必要的。最佳做法是使用低等效串联电阻 (ESR) 陶瓷电容器。电介质材料应是 X5R 或性能更好的材料。否则，电容器会因直流偏置或温度损失大部分电容（请参阅参考文献 7 和 8）。

如果输入电压噪声较大，则可以增加该值。

妥善做法是使用 ESR 较低的电容器，尽可能减小输出电压的纹波。如果电介质材料为 X5R 或性能更好的材料，则陶瓷电容器是不错的选择（请参阅参考文献 7 和 8）。

如果转换器具有外部补偿机制，则可以使用高于数据表中建议的最小值的任何电容值，但必须针对所使用的输出电容调整补偿。

对于内部补偿转换器，应使用建议的电感值和电容值，或者遵循数据表中的建议，根据应用调整输出电容器，比率为 L × C。

利用外部补偿，可以通过以下公式来调节输出电容值，以获得所需的输出电压纹波：

Equation12.

C_OUT(min) = 最小输出电容
I_OUT(max) = 应用的最大输出电流
D = 使用Equation1 计算的占空比
f_S = 转换器的最小开关频率
ΔV_OUT = 所需输出电压纹波

输出电容器的 ESR 会增加一些纹波，可通过以下公式计算得出：

Equation13.

ΔV_OUT(ESR) = 由于电容器 ESR 而导致的额外输出电压纹波
ESR = 使用的输出电容器的等效串联电阻
I_OUT(max) = 应用的最大输出电流
D = 使用Equation1 计算的占空比
ΔI_L = 根据Equation2 或Equation6 计算的电感器纹波电流

Equation14.

V_IN(min) = 最小输入电压
V_OUT = 所需输出电压
η = 转换器效率，例如估计为 85%

Equation15.

V_IN(min) = 最小输入电压
D = Equation14 中计算得出的占空比
f_S = 转换器的最小开关频率
L = 选定的电感器值

Equation16.

I_LIM(min) = 集成开关电流限制的最小值（在数据表中给出）
ΔI_L =使用Equation15 计算的电感器纹波电流
D = 使用Equation14 计算的占空比

Equation17.

ΔI_L = 使用Equation15 计算的电感器纹波电流
I_OUT(max) = 应用中需要的最大输出电流
D = 使用Equation14 计算的占空比

Equation18.

V_IN = 典型输入电压
V_OUT = 所需输出电压
f_S = 转换器的最小开关频率
ΔI_L= 电感器预估纹波电流，请参阅Equation19

Equation19.

ΔI_L = 预估的电感器纹波电流
I_OUT(max) = 应用中需要的最大输出电流

Equation20.

I_OUT(max) = 应用中需要的最大输出电流

Equation21.

I_F = 整流器二极管的平均正向电流
V_F = 整流器二极管的正向电压

Equation22.

I_FB = 数据表提供的反馈偏置电流

Equation23.

Equation24.

V_FB = 数据表中的反馈电压
I_R1/2 = 流经电阻分压器至 GND 的电流，计算公式为Equation22
V_OUT = 所需输出电压

Equation25.

I_OUT(max) = 应用的最大输出电流
D = 使用Equation14 计算的占空比
f_S = 转换器的最小开关频率
ΔV_OUT = 所需输出电压纹波

Equation26.

ESR = 使用的输出电容器的等效串联电阻
I_OUT(max) = 应用的最大输出电流
D = 使用Equation14 计算的占空比
ΔI_L = 根据Equation15 或Equation19 计算的电感器纹波电流

1. 了解开关模式电源中的升压功率级 (SLVA061)
2. 使用 TPS61030 进行电压模式升压转换器小信号控制环路分析 (SLVA274)
3. TPS65148 数据表 (SLVS904)
4. TPS65130 和 TPS65131 数据表 (SLVS493)
5. Robert W. Erickson: Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic Publishers, 1997
6. Mohan/Underland/Robbins: Power Electronics, John Wiley & Sons Inc., Second Edition, 1995
7. Improve Your Designs with Large Capacitance Value Multi-Layer Ceramic Chip (MLCC) Capacitors by George M. Harayda, Akira Omi, and Axel Yamamoto, Panasonic
8. Comparison of Multilayer Ceramic and Tantalum Capacitors by Jeffrey Cain, Ph.D., AVX Corporation