資料介紹
開關(guān)電源最常見的三種結(jié)構(gòu)布局是降壓(buck)、升壓(boost)和降壓–升壓(buck-boost),這三種布局都不是相互隔離的。
今天介紹的主角是boost升壓電路,the boost converter(或者叫step-up converter),是一種常見的開關(guān)直流升壓電路,它可以使輸出電壓比輸入電壓高。
下面主要從基本原理、boost電路參數(shù)設(shè)計、如何給Boost電路加保護(hù)電路三個方面來描述。
Part1 Boost電路的基本原理分析
Boost電路是一種開關(guān)直流升壓電路,它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設(shè)計當(dāng)中算是一種較為常見的電路設(shè)計方式。
首先,你需要了解的基本知識:
電容阻礙電壓變化,通高頻,阻低頻,通交流,阻直流;
電感阻礙電流變化,通低頻,阻高頻,通直流,阻交流;
假定那個開關(guān)(三極管或者M(jìn)OS管)已經(jīng)斷開了很長時間,所有的元件都處于理想狀態(tài),電容電壓等于輸入電壓。
下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。
充電過程
在充電過程中,開關(guān)閉合(三極管導(dǎo)通),等效電路如上圖,開關(guān)(三極管)處用導(dǎo)線代替。這時,輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。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,這個比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加,電感里儲存了一些能量。
放電過程
如上圖,這是當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時,由于電感的電流保持特性,流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時的值變?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電感的能量傳遞過程。充電時,電感吸收能量,放電時電感放出能量。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持續(xù)的電流。如果這個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。
Part2 Boost電路參數(shù)的設(shè)計
對于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能量,維持一個恒定的電壓。
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,輸出濾波電容提供整個負(fù)載電流。
電感
在開關(guān)電源中,電感的作用是存儲能量。
電感的作用是維持一個恒定的電流,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。
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,都會導(dǎo)致電感飽和及過熱。
MOSFET
在小功率的DC/DC變化中,Power MOSFET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。
Part3 給Boost電路穿上保護(hù)衣
在前面部分,我們從充放電的角度了解了Boost電路以及 Boost電路參數(shù)的設(shè)計。
Boost電路作為一種非隔離的升壓電路,其結(jié)構(gòu)簡單,容易設(shè)計,成本低廉,被廣泛應(yīng)用于各種不需要隔離的升壓場合,特別是有源PFC電路中應(yīng)用最為廣泛。
較于BUCK或其他的隔離電路,BOOST電路的保護(hù)似乎更麻煩。
對于一般的保護(hù)電路而言,當(dāng)輸入欠壓,過壓,輸出過流,短路,過壓,過溫度的時候,我們會要求電路會自動關(guān)閉輸出,或?qū)崿F(xiàn)打嗝式的保護(hù),以利于后面的負(fù)載或電路受到及時的保護(hù),避免損壞;但對于BOOST電路而言,因升壓電感,輸出整流二極管是串聯(lián)在輸入與輸出的回路中,即使是完全關(guān)閉MOSFET的驅(qū)動,輸出也會有一個比輸入電壓低電感直流壓降跟二極管正向?qū)▔航档碾妷?,這也就是說不能完全關(guān)閉輸出,沒有達(dá)到我們想要的保護(hù)效果。
下面有幾種解決方案,可以用來給BOOST電路保護(hù)。
①可以在輸入端加MOS作關(guān)斷保護(hù)。這個是一種很好的方法,但MOSFET的控制比較復(fù)雜,而且需要高電壓大電流的MOSFET,這樣會增大系統(tǒng)的成本,而且會降低可靠性。其結(jié)果是輸入端的電壓相對低些,而且加在輸入端更方便實現(xiàn)軟啟動,減小對MOS的沖擊。但是由于輸出端電流更小,加在輸出端MOS功耗更小一點。
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