Boost電路的結(jié)構(gòu)及工作原理

Boost電路定義

Boost升壓電路的英文名稱為“theboostconverter”，或者叫“step-upconverter”，是一種開關(guān)直流升壓電路，它能夠?qū)⒅绷麟娮優(yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直流—直流變換器(DC/DCConverter)。

直流—直流變換器通過對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比改變輸出電壓平均值。

假定那個(gè)開關(guān)(三極管或者mos管)已經(jīng)斷開了很長時(shí)間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，那么電容電壓等于輸入電壓。

開關(guān)管Q也為PWM控制方式，但最大占空比Dy必須限制，不允許Dy=1的狀態(tài)下工作。電感Lf在輸入側(cè)，成為升壓電感。

Boost電路結(jié)構(gòu)

下面以UC3842的Boost電路為例介紹Boost電路的結(jié)構(gòu)。

圖中輸入電壓Vi=16~20V，既供給芯片，又供給升壓變換。

開關(guān)管以UC3842設(shè)定的頻率周期開閉，使電感L儲(chǔ)存能量并釋放能量。

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感以Vi/L的速度充電，把能量儲(chǔ)存在L中。當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過二極管D把儲(chǔ)存的電能以(Vo-Vi)/L的速度釋放到輸出電容器C2中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來控制。

整個(gè)穩(wěn)壓過程由二個(gè)閉環(huán)來控制，即：

閉環(huán)1輸出電壓通過取樣后反饋給誤差放大器，用于同放大器內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓，誤差放大器控制由于負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化。

閉環(huán)2Rs為開關(guān)管源極到公共端間的電流檢測電阻，開關(guān)管導(dǎo)通期間流經(jīng)電感L的電流在Rs上產(chǎn)生的電壓送至PwM比較器同相輸入端，與誤差電壓進(jìn)行比較后控制調(diào)制脈沖的脈寬，從而保持穩(wěn)定的輸出電壓。誤差信號(hào)實(shí)際控制著峰值電感電流。

Boost電路的工作原理

Boost電路的工作原理分為充電和放電兩個(gè)部分來說明。

充電過程

在充電過程中，開關(guān)閉合(三極管導(dǎo)通)，等效電路圖入下圖所示，開關(guān)(三極管)處用導(dǎo)線代替。

這時(shí)，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)地放電。

由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。

隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。

放電過程

如圖，這是當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時(shí)的等效電路。

當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。

而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。

說起來升壓過程就是一個(gè)電感的能量傳遞過程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。

如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。

如果這個(gè)通斷的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

Boost電路參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于Boost電路，電感電流連續(xù)模式與電感電流非連續(xù)模式有很大的不同，非連續(xù)模式輸出電壓與輸入電壓，電感，負(fù)載電阻，占空比還有開關(guān)頻率都有關(guān)系。而連續(xù)模式輸出電壓的大小只取決于輸入電壓和占空比。

輸出濾波電容的選擇

在開關(guān)電源中，輸出電容的作用是存儲(chǔ)能量，維持一個(gè)恒定的電壓。

Boost電路的電容選擇主要是控制輸出的紋波在指標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。

對(duì)于Boost電路，電容的阻抗和輸出電流決定了輸出電壓紋波的大小。

電容的阻抗由三部分組成，即等效串聯(lián)電感(ESL)，等效串聯(lián)電阻(ESR)和電容值(C)。

在電感電流連續(xù)模式中，電容的大小取決于輸出電流、開關(guān)頻率和期望的輸出紋波。

在MOSFET開通時(shí)，輸出濾波電容提供整個(gè)負(fù)載電流。

電感

在開關(guān)電源中，電感的作用是存儲(chǔ)能量。

電感的作用是維持一個(gè)恒定的電流，或者說，是限制電感中電流的變化。

在Boost電路中，選擇合適電感量通常用來限制流過它的紋波電流。

電感的紋波電流正比于輸入電壓和MOSFET開通時(shí)間，反比于電感量。電感量的大小決定了連續(xù)模式和非連續(xù)模式的工作點(diǎn)。

除了電感的感量外，選擇電感還應(yīng)注意它最大直流或者峰值電流，和最大的工作頻率。

電感電流超過了其額定電流或者工作頻率超過了其最大工作頻率，都會(huì)導(dǎo)致電感飽和及過熱。

MOSFET

在小功率的DC/DC變化中，PowerMOSFET是最常用的功率開關(guān)。MOSFET的成本比較低，工作頻率比較高。

設(shè)計(jì)中選取MOSFET主要考慮到它的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。

要求MOSFET要有足夠低的導(dǎo)通電阻RDS(ON)和比較低的柵極電荷Qg。

Boost電路的應(yīng)用領(lǐng)域

MAX1771

MAX1771是美信公司的電源管理芯片，可以做為升壓電路使用，電路結(jié)構(gòu)為Boost電路，如下圖2.1所示。當(dāng)電壓輸入電壓的范圍是5-12V，輸出根據(jù)的調(diào)節(jié)范圍是24-36V。引腳1輸出PWM來控制場效應(yīng)管IRF3205的導(dǎo)通與截止。引腳3是電壓反饋端，內(nèi)置1.25V的穩(wěn)壓源。當(dāng)輸入到3腳的電壓高于或低于1.25V時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM占空比的減小或增大，以得到穩(wěn)定的輸出。

TL494

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。

IR2110

IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及無門鎖CMOS技術(shù)，于1990年前后開發(fā)并投放市場的大功率MOSFET和IGBT專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

FAN7930C

FAN7930C是一款有源功率因數(shù)校正(PFC)控制器，采用8腳SOP封裝。用于在臨界導(dǎo)通模式(CRM)下運(yùn)行的升壓PFC應(yīng)用。