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Boost升壓電路原理及設計詳解

發布時間:2022-03-30作者來源:薩科微瀏覽:6675

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Boost電路是一種開關直流升壓電路,它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設計當中算是一種較為常見的電路設計方式。本文將給大家介紹boost基本原理、電路參數設計。

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首先我們需要知道:

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;


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圖1Boost開關升壓電路的原理圖


假定那個開關(三極管或者MOS管)已經斷開了很長時間,所有的元件都處于理想狀態,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





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在充電過程中,開關閉合(三極管導通),等效電路如圖2,開關(三極管)處用導線代替。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。隨著電感電流增加,電感里儲存了一些能量。



放電過程





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如圖3這是當開關斷開(三極管截止)時的等效電路。當開關斷開(三極管截止)時,由于電感的電流保持特性,流經電感的電流不會馬上變為0,而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。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的電流。如果這個通斷的過程不斷重復,就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。



boost電路升壓過程





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下面是一些補充:
AA電壓低,反激升壓電路制約功率和效率的瓶頸在開關管,整流管,及其他損耗(含電感上)。
電感不能用磁體太小的(無法存應有的能量),線徑太細的(脈沖電流大,會有線損大)。
整流管大都用肖特基,大家一樣,無特色,在輸出3.3V時,整流損耗約百分之十。
開關管,關鍵在這兒了,放大量要足夠進飽和,導通壓降一定要小,是成功的關鍵。總共才一伏,管子上耗多了就沒電出來了,因些管壓降應選[敏感詞]電流時不超過0.2--0.3V,單只做不到就多只并聯。
[敏感詞]電流有多大呢?簡單點就算1A吧,其實不止。由于效率低會超過1.5A,這是平均值,半周供電時為3A,實際電流波形為0至6A。所以建議要用兩只號稱5A實際3A的管子并起來才能勉強對付。
現成的芯片都沒有集成上述那么大電流的管子,所以建議用土電路就夠對付洋電路了。
這些補充內容是教科書本上沒有的知識,但是能夠與教科書本上的內容進行對照并印證。

開關管導通時,電源經由電感-開關管形成回路,電流在電感中轉化為磁能貯存;開關管關斷時,電感中的磁能轉化為電能在電感端左負右正,此電壓疊加在電源正端,經由二極管-負載形成回路,完成升壓功能。既然如此,提高轉換效率就要從三個方面著手:盡可能降低開關管導通時回路的阻抗,使電能盡可能多的轉化為磁能;盡可能降低負載回路的阻抗,使磁能盡可能多的轉化為電能,同時回路的損耗[敏感詞];盡可能降低控制電路的消耗,因為對于轉換來說,控制電路的消耗某種意義上是浪費掉的,不能轉化為負載上的能量。



Boost電路參數的設計





對于Boost電路,電感電流連續模式與電感電流非連續模式有很大的不同,非連續模式輸出電壓與輸入電壓,電感,負載電阻,占空比還有開關頻率都有關系。而連續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規定的范圍內。
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,即等效串聯電感(ESL),等效串聯電阻(ESR)和電容值(C)。

在電感電流連續模式中,電容的大小取決于輸出電流、開關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載電流。



電感





在開關電源中,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模式和非連續模式的工作點。
除了電感的感量外,選擇電感還應注意它[敏感詞]直流或者峰值電流,和[敏感詞]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[敏感詞]工作頻率,都會導致電感飽和及過熱。



MOSFET





在小功率的DC/DC變化中,PowerMOSFET是最常用的功率開關。MOSFET的成本比較低,工作頻率比較高。
設計中選取MOSFET主要考慮到它的導通損耗和開關損耗。

要求MOSFET要有足夠低的導通電阻RDS(ON)和比較低的柵極電荷Qg。


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