1、RuiKong扬州瑞 控汽车电子 有限公司Boost 升压变换器原理及设计升压变换器原理及设计BuckBoostFlybackBuck-BoostForwardTwo switch forwardFull BridgeHalf BridgePull-Push电路结构开关电源最基本的三种拓扑BUCK、 BOOST、 BUCK-BOOST就是对三种器件的连接方式进行不同的组合。开关管在 Ton时间内导通，二极管反向截止，电感电流线性上升；开关管在 Toff时间内关断，二极管正向导通，电感电流线性下降。对电感工作的理解最为关键Ton阶段，开关管导通，电感电流线性上升，斜率为电感电流变化量 i= ，其
2、中 Vsw为开关管压降。输出电容为负载提供能量。uTon阶段工作原理Toff阶段，开关管关断，电感电流线性下降，斜率为电感电流变化量 i= ，其中 Vd为二极管压降。电感电流为负载提供能量，同时补充输出电容在 Ton阶段输出的能量。uToff阶段工作原理电感电流在 Ton时间内上升值等于 Toff时间内下降值，都为 i。= ， T=Ton+Toff， Ton/T=D。（ Vin-Vsw） Ton= （ Vo+Vd-Vin） Toff，即伏秒积相同。u电感电流连续模式下的电感、开关管及二极管电流工作原理Boost电路输入电压、输出电压与占空比关系： D=如果忽略开关管及二极管压降，输入输出电压关
3、系为： Vo=输出电流全部流过二极管，则二极管平均电流 ID=IO=IL (1-D)ID为二极管平均电流， IO为输出平均电流， IL 为电感平均电流。工作原理器件选型工作条件首先考虑电感磁芯的最 “ 恶劣 ” 工作条件，以满电感电流不至于饱和。Boost电路电感电流连续， 电感峰值电流 IL_PK= （ 1+ ）其中电流纹波率 r= ，即 i=rIL， r一般取 0.3 0.4。i随着占空比（输入电压）的变化：i=当 D 0.5时， i随 D增大（输入电压降低）而增大；当 D 0.5时， i随 D增大（输入电压降低）而减小；电感峰值电流 IL_PK 在最小输入电压 VIN_MIN（ DMAX
4、）下最大，在此条件下设计Boost电路。最 “ 恶劣 ” 工作条件的确定扛得住绘制函数曲线得出器件选型u负载电流与平均电感电流关系IO=IL（ 1-D）IL=电感电流峰值为 IL_PK = IL+i/2电感 小功率电源使用类型Vo= ，则D=i= = ，其中 Fs为开关管工作频率。 L=电感峰值电流IL_PK= IL + i/2 =(1+ r/2 ) IL电感电流选择一般大于 IL_PK的 1.2倍。器件选型电感容量越大，装的越多！器件选型二极管二极管类型频率在几百 KHz范围内，选择肖特基二极管。二极管电压在 Ton阶段，二极管承受最大反向电压，其值为 Vo。二极管耐压至少选择 Vo的 1.
5、2倍。如果二极管两端有尖峰，需要根据实际情况进行调整。二极管电流二极管的平均电流 ID_AVG=Io二极管额定电流至少选择 Io的 2倍以上，电流较大的需要注意散热处理，可以适当选择较大的封装，以获得较低的 “ 温度 -环境 ” 热阻 JA。器件选型开关管开关管耐压开关管承受的最大电压为 VO+VD，如果忽略 VD，即为 VO。 耐压值至少选择 Vo的 1.2倍，如果 DS两端有尖峰，需要根据实际情况进行调整。开关管电流开关管通过的电流有效值 IRMS=IL 开关管的电流至少选择 IRMS的 2倍以上，电流较大的需要注意散热处理，可以适当选择较大的封装，以获得较低的 “温度 -环境 ”热阻 J
6、A。Ids器件选型输入电容ESR在最低输入电压，输出由空载跳变为满载时计算。ESR=其中， vin为输出电压纹波，一般取输入电压 5%以内。电容容值Cin=其中， Ls为输入电源的感抗、 Rs为输入电源的阻抗。电容电流有效值Icin_rms=0.29 i额定纹波率等于或大于电容电流有效值。器件选型输出电容输出电容电压输出电容电压选择输出额定电压的 1.2 1.5倍。输出电容流过的电流峰峰值为 IL_PK由输出滤波电容 ESR引起的纹波为： V1=IL_PK ESR在 Ton期间，负载电流全部由输出电容提供，由此引起的纹波电流为：V2=由电感脉动电流在 ESR产生： V3=i ESRV= V1+
7、 V2 - V3电容通过的电流有效值 IRMS=1.13IL 额定纹波率等于或大于电容电流有效值。输出滤波电容对环路稳定有影响，适当的增大有助于环路稳定。设计实例输入输出参数u输入电压： 9 16Vu输出电压： 18Vu输出电流： 0.5Au工作温度： -40 85u输出电压纹波： 2%u输入电压纹波： 2%u开关频率： 500KHz在输入电压等于 9V时进行计算，此时 D= =0.5器件选型u负载电流与平均电感电流关系IO=IL（ 1-D）IL= =1A设 r=0.3， i=r IL=0.3AL= = =30uH电感电流峰值为 IL_PK = IL+i/2=1.3A1.2 IL_PK =1.
8、56A选择 33uH， 2A的成品电感。r=0.27， i=rIL=0.27A， IL_PK = 1.27A电感器件选型二极管二极管类型选择肖特基二极管。二极管电压在 Ton阶段，二极管承受最大反向电压，其值为 Vo。二极管耐压至少选择 Vo的 1.2倍。如果二极管两端有尖峰，需要根据实际情况进行调整。选择二极管耐压为 30V。二极管电流二极管的平均电流 ID_AVG=Io=0.5A二极管额定电流至少选择 Io的 2倍以上，考虑散热处理，选择电流为 2A。二极管型号 CMSH2-40M。器件选型开关管开关管耐压开关管承受的最大电压为 VO+VD，如果忽略 VD，即为 VO。 耐压值至少选择 V
9、o的 1.2倍，如果 DS两端有尖峰，需要根据实际情况进行调整。耐压选择 30V。开关管电流开关管通过的电流有效值 IRMS=IL =0.9A 开关管的电流至少选择 IRMS的 2倍以上，考虑到热处理，选择较大封装。采用 SO-8封装。器件选型输入电容电容额定电压考虑 TVS的钳位电压，选择额定电压为 50V。ESR在最低输入电压，输出由空载跳变为满载时计算。ESR= = =0.18电容容值Cin= = =2.22uF其中， Ls取 1uH、 Rs取 0.1。电容电流有效值Icin_rms=0.29 i=0.087A选择两颗 50V/2.2uF的 MLCC并联。器件选型输出电容输出电容电压输出
10、电容电压选择输出额定电压的 1.2 1.5倍，选择 25V。输出纹波峰峰值为 V=0.72V在 Ton期间，负载电流全部由输出电容提供，由此引起的纹波电流为VP-P= ， Co= =0.69uF考虑到电容精度、裕量及输出负载瞬态变化，选择 2颗 2.2uF的 MLCC并联。MLCC的典型 ESR为 3m。器件选型输出电容由输出滤波电容 ESR引起的纹波为V1=IL_PK ESR=0.00195VV2= = =0.1136VV3=i ESR=0.004VV1+ V2-V3=0.108电容通过的电流有效值 IRMS=1.13IL =0.565A 激光雷达发射器瞬间最大耗电流为 4A持续时间约 50ns则这段时间耗费的能量为 4A*50NS储能电容选择 330uf由上可知， 18V电压降低很小，在激光发射器瞬间耗费 4A的电流时。
