boost升压电路工作原理.doc

1、boost 升压电路工作原理时间：2011-08-02 11:20:11 来源： 作者：boost 升压电路是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。基本电路图见图一：假定那个开关（三极管或者 mos 管）已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路充电过程在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图二，开关（三极管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。放电过程如图，这

2、是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为 0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为 0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。一些补充 1 AA 电压低,反激升压电路制约功率和效率的瓶颈在开关管,整流管,及其他损耗(含电

3、感上).1.电感不能用磁体太小的(无法存应有的能量),线径太细的(脉冲电流大,会有线损大).2 整流管大都用肖特基,大家一样,无特色,在输出 3.3V 时,整流损耗约百分之十.3 开关管,关键在这儿了,放大量要足够进饱和,导通压降一定要小,是成功的关键.总共才一伏,管子上耗多了就没电出来了,因些管压降应选最大电流时不超过 0.2-0.3V,单只做不到就多只并联.4 最大电流有多大呢?我们简单点就算 1A 吧,其实是不止的.由于效率低会超过 1.5A,这是平均值,半周供电时为 3A,实际电流波形为 0 至 6A.所以咱建议要用两只号称 5A 实际 3A 的管子并起来才能勉强对付.5 现成的芯片都

4、没有集成上述那么大电流的管子,所以咱建议用土电路就够对付洋电路了.以上是书本上没有直说的知识,但与书本知识可对照印证.开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。既然如此，提高转换效率就要从三个方面着手：1.尽可能降低开关管导通时回路的阻抗，使电能尽可能多的转化为磁能；2.尽可能降低负载回路的阻抗，使磁能尽可能多的转化为电能，同时回路的损耗最低；3.尽可能降低控制电路的消耗，因为对于转换来说，控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的，不能转化为负载上的能量。

5、具体计算已知参数：输入电压：12V - Vi输出电压：18V -Vo输出电流：1A - Io输出纹波：36mV - Vpp工作频率：100KHz - f1：占空比稳定工作时，每个开关周期，导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少，即Vi*don/(f*L)=(Vo+Vd-Vi)*(1-don)/(f*L),整理后有don=(Vo+Vd-Vi)/(Vo+Vd),参数带入，don=0.5722：电感量先求每个开关周期内电感初始电流等于输出电流时的对应电感的电感量其值为 Vi*(1-don)/(f*2*Io)，参数带入，Lx=38.5uH,deltaI=Vi*don/(L*f)，参数带入，d

6、eltaI=1.1A当电感的电感量小于此值 Lx 时，输出纹波随电感量的增加变化较明显，当电感的电感量大于此值 Lx 时，输出纹波随电感量的增加几乎不再变小，由于增加电感量可以减小磁滞损耗，另外考虑输入波动等其他方面影响取 L=60uH，deltaI=Vi*don/(L*f),参数带入，deltaI=0.72A，I1=Io/(1-don)-(1/2)*deltaI,I2= Io/(1-don)+(1/2)*deltaI，参数带入，I1=1.2A,I2=1.92A3：输出电容：此例中输出电容选择位陶瓷电容，故 ESR 可以忽略C=Io*don/(f*Vpp),参数带入，C=99.5uF，3 个

7、33uF/25V 陶瓷电容并联4：磁环及线径：查找磁环手册选择对应峰值电流 I2=1.92A 时磁环不饱和的适合磁环Irms2=(1/3)*(I12+I22-I1*I2)，参数带入，irms=1.6A按此电流有效值及工作频率选择线径其他参数：电感：L 占空比：don初始电流：I1 峰值电流：I2 线圈电流：Irms输出电容：C 电流的变化：deltaI 整流管压降：Vd两种降压升压电路原理图2011 年 11 月 15 日 11:06 来源：电子发烧友网 作者：小兰 我要评论(0)图显示两种降压升压电路，可在输入电压可能大于或小于输出电压的情形下使用。这些电路与前述两种降压拓扑有相同的折冲特点

8、，与电流侦测电阻与门极驱动的位置有关。图 2的降压升压拓扑，显示接地参考的闸极驱动。此拓扑需要位准移位电流侦测讯号，不过反向的升压降压拓扑则具有接地参考的电流侦测及位准移位闸极驱动。如果控制 IC 与负输出有关，且电流侦测电阻与 LED 进行交换，即可利用有效的方式配置反向升压降压拓扑。只要适当控制 IC，即可直接测量输出电流，也可以直接驱动 MOSFET。求 DC-DC 升降压电路原理及设计要点？提问者:孔善华 2013-10-26满意回答 来 自 weiqing09181262012-04-1710:52:34http:/ 升 压 与 降 压 电 路 简 介2012.3.15DC/DC 转

9、 换 器 电 路 的 各 种 特 性 （ 效 率 、 纹 波 、 负 载 瞬 态 响 应 等 ） 可 根 据 外 设元 件 的 变 更 而 变 更 ， 尽 量 在 各 种 制 约 条 件 下 ， 设 计 出 最 接 近 要 求 规 格 的 DC/DC 转 换 器 电 路 。1、 DC/DC 转 换 的 基 本 工 作 原 理最 基 本 的 基 本 型 DC/DC 转 换 器 电 路 为 升 压 和 降 压 电 路 。1） 升 压 电 路FET 为 ON 时 的 电 路 图在 FET 为 ON 的 时 间 里 在 L 积 蓄 电 流 能 。 虚 线 表 示 的 电 流 路 径 虽 是 微 小 的

10、 漏电 流 ， 但 会 使 轻 负 载 的 效 率 变 差 。FET 为 OFF 时 的 电 路 图在 FET 为 OFF 时 ， L 要 保 持 OFF 前 的 电 流 值 ， 相 当 于 在 输 入 回 路 增 加 了 一 个“电 源 ”。 由 于 线 圈 的 左 端 被 强 制 性 固 定 于 VIN， 因 此 输 出 VOUT 的 电 压 要大 于 VIN， 即 升 压 电 路 原 理 。由 此 ， FET 的 ON 时 间 越 长 （ FET 的 触 发 占 空 比 D 越 大 ） ， L 里 积 蓄 的 电 流能 越 大 ， 越 能 获 得 电 源 功 率 ， 于 是 升 压 就

11、越 高 。但 是 ， FET 的 ON 时 间 太 长 的 话 ， 给 输 出 侧 供 电 的 时 间 就 极 为 短 暂 ， FET 为ON 时 的 损 失 也 就 增 大 ， 变 换 效 率 变 差 。 因 此 ， 通 常 要 限 制 占 空 比 的 最 大 值 ，不 超 过 适 宜 的 占 空 比 D。2） 降 压 电 路FET 为 ON 时 的 电 路 图在 FET 为 ON 的 时 间 里 ， L 积 蓄 电 流 能 的 同 时 为 输 出 供 电 。 虚 线 表 示 的 电 流路 径 虽 是 微 小 的 漏 电 流 ， 但 会 使 轻 负 载 的 效 率 变 差 。FET 为 OF

12、F 时 的 电 路 图在 FET 为 OFF 时 ， L 要 保 持 OFF 前 的 电 流 值 ， 使 SBD 为 ON。 此 时 ， 由 于 线圈 的 左 端 被 强 制 性 地 降 到 0V 以 下 ， VOUT 的 电 压 下 降 ， 即 降 压 电 路 原 理 。由 此 ， FET 的 ON 时 间 长 L 里 积 蓄 的 电 流 能 越 大 ， 越 能 获 得 大 功 率 电 源 ， 降压 的 幅 度 越 小 。降 压 时 ， 由 于 FET 为 ON 时 也 要 给 输 出 供 电 ， 所 以 不 需 要 限 制 占 空 比 的 最 大值 。2、 DC/DC 转 换 电 路 的

13、设 计 要 点设 计 要 点 ：(1)稳 定 工 作 ( 不 会 因 异 常 振 动 等 误 动 作 、 烧 损 、 过 电 压 而 损 坏 )(2)效 率 大(3)输 出 纹 波 小(4)负 载 瞬 态 响 应 好这 些 设 计 指 标 可 通 过 变 更 DC/DC 转 换 器 IC 和 外 设 元 件 得 到 某 种 程 度 的 改 善。3、 开 关 频 率 的 选 择DC/DC 转 换 器 IC 具 备 固 有 的 开 关 频 率 ， 频 率 的 不 同 会 对 各 种 特 性 产 生 影 响 。以 XC9237A18C（ 1.2MHz） 和 XC9237A18D（ 3MHz） 为 例

14、 表 明 开 关 频 率 与 效 率的 关 系 。 测 试 电 路 图 （ 降 压 型 DC-DC） ， 如 下 图 所 示 。CIN： 10 F， CL： 10 F， L=4.7 H（ NR3015T-4R7M） ， Topr=25XC9237A18C（ 振 荡 频 率 1.2MHz） 开 关 频 率 与 效 率 的 关 系 ， 如 下 图 所 示 ：XC9237A18D（ 振 荡 频 率 3MHz） 开 关 频 率 与 效 率 的 关 系 ， 如 下 图 所 示 ：效 率 最 大 的 电 流 值 不 同 是 因 为 不 同 的 开 关 频 率 适 合 的 感 应 系 数 值 也 不 同 的

15、 缘故 。对 于 结 构 相 同 的 线 圈 ， 感 应 系 数 越 大 直 流 电 阻 越 增 加 ， 重 负 载 时 的 损 失 增 加， 由 此 ， 效 率 最 大 的 电 流 值 越 是 低 频 的 越 会 向 轻 负 载 侧 移 动 。 相 反 ， 频 率 高则 因 FET 的 充 放 电 次 数 增 加 和 IC 自 身 的 静 态 消 耗 电 流 增 大 ， 3MHz 产 品 比1.2MHz 产 品 在 轻 负 载 时 的 效 率 大 幅 度 变 差 。综 合 来 看 ， 可 知 1.2MHz 产 品 的 效 率 峰 值 大 ， 效 率 最 大 的 输 出 电 流 值 峰 值 小

16、。此 外 ， PFM 工 作 时 ， 轻 负 载 时 的 频 率 都 进 一 步 下 降 ， 效 率 明 显 得 到 改 善 。3、 FET 的 选 择RDS： Drain-sourceON-ResistanceRDS 引 起 的 损 失 ： RDS 可 以 看 成 是 FET 的 漏 源 极 间 电 阻 成 分 ， 因 而 会 发 热 而损 失 能 量 ， 负 载 越 大 其 损 失 越 是 增 大 。 因 此 ， 重 负 载 时 减 少 RDS 引 起 的 损失 效 果 较 好 。CISS： InputCapacitanceCISS 引 起 的 损 失 ： CISS 可 以 看 成 是 F

17、ET 的 栅 源 极 间 充 放 电 时 被 丢 弃 的 功 率。 驱 动 电 压 和 开 关 频 率 越 大 损 失 就 越 大 ， 由 于 重 负 载 时 和 轻 负 载 时 损 失 值 基本 相 同 ， 所 以 会 使 轻 负 载 时 的 效 率 大 幅 度 变 差 。 因 此 ， 轻 负 载 时 减 少 CISS引 起 的 损 失 对 提 高 效 率 的 效 果 较 好 。虽 然 RDS 和 CISS 都 是 越 小 损 失 也 越 小 ， 但 因 RDS 和 CISS 成 反 比 关 系 ， 改善 损 失 大 的 一 方 效 果 更 好 。 一 般 电 压 额 定 值 定 为 使 用

18、 电 压 的 1.5 倍 2 倍， RDS 和 CISS 引 起 的 损 失 较 小 。输 入 电 流 =输 出 (负 载 )电 流 输 出 电 压 输 入 电 压 效 率效 率 未 知 时 ， 可 姑 且 升 压 时 采 用 70%、 降 压 时 采 用 80%来 计 算 。测 试 实 例 ： 更 换 FET， 测 试 效 率 ， FET 的 参 数 规 格 如 下 表 所 示 ：XC9220C093 的 测 试 电 路 ：测 试 的 效 率 图 ：4、 线 圈 的 选 择线 圈 引 起 的 损 失 表 现 为 线 圈 的 绕 线 电 阻 RDC 和 铁 氧 体 磁 心 产 生 的 损 失

19、等 。开 关 频 率 不 同 的 话 ， 最 佳 L 值 也 不 同 。 因 为 线 圈 的 电 流 与 FET 的 ON 时 间 成正 比 ， 与 L 值 成 反 比 。 对 于 2MHz 左 右 的 开 关 频 率 ， 可 以 认 为 线 圈 的 大 部 分损 失 是 RDC 引 起 的 损 失 ， 首 先 应 选 择 RDC 小 的 线 圈 。如 果 为 了 减 小 RDC 而 选 择 L 值 过 小 的 线 圈 的 话 ， 在 FET 为 ON 的 时 间 内 电 流值 过 大 ， FET、 SBD、 线 圈 产 生 的 热 损 失 变 大 ， 效 率 下 降 。 而 且 ， 因 电

20、流 增 加， 纹 波 也 增 大 。相 反 ， 如 果 L 值 过 大 的 话 ， RDC 变 大 ， 不 仅 重 负 载 时 的 效 率 变 差 ， 而 且 铁 氧体 磁 心 发 生 磁 饱 和 ， L 值 急 速 减 少 ， 这 样 就 不 能 发 挥 出 线 圈 的 性 能 ， 陷 入 电流 过 大 引 起 发 热 的 危 险 状 态 。 因 而 ， 为 了 在 L 值 大 的 线 圈 流 经 大 电 流 ， 形状 上 必 须 有 一 定 程 度 的 大 小 ， 以 避 免 磁 饱 和 。综 上 所 述 ， 相 对 于 线 圈 的 外 形 尺 寸 和 效 率 两 个 方 面 ， 适 当

21、的 L 值 已 被 限 定， 如 下 表 所 示 ：实 例 ： XC9104D093（ 升 压 ） 电 路 只 变 更 了 L 值 后 的 效 率 和 纹 波 。 测 试 电 路如 下 ：实 例 ： XC9220A093（ 降 压 ） 电 路 只 变 更 了 L 值 后 的 效 率 和 纹 波 。 测 试 电 路如 下 ：5、 SBD 的 选 择SBD 的 损 失 为 正 向 热 损 失 VFIF 和 反 向 漏 电 流 IR 引 起 的 热 损 失 的 合 计 值 。因 此 ， 选 择 VF、 IR 都 小 的 产 品 比 较 理 想 。 但 是 ， VF 与 IR 成 反 比 关 系 ，

22、一般 要 视 负 载 电 流 而 选 用 。VF 在 重 负 载 时 大 ， 考 虑 到 IR 与 负 载 无 关 为 一 定 的 值 ， 所 以 轻 负 载 时 选 择IR 小 的 产 品 对 提 高 效 率 的 效 果 较 好 ， 重 负 载 时 选 择 VF 小 的 产 品 效 果 较 好。选 择 SBD 的 要 点 见 下 表 ：实 例 ： 比 较 两 个 SBD 在 轻 重 负 载 时 的 效 率 。与 XBS203V17 相 比 ， XBS204S17 的 VF 大 IR 小 ， 轻 负 载 时 的 效 率 好 ， 重 负 载时 的 效 率 差 。 下 表 是 详 细 参 数 ：测

23、 试 电 路 和 效 率 曲 线 如 下 ：6、 CL 的 选 择CL 越 大 则 纹 波 越 小 ， 但 过 分 大 的 话 ， 电 容 器 的 形 状 也 大 ， 成 本 提 高 。CL 由 所 需 的 纹 波 大 小 而 定 。 以 10mV 40mV 的 纹 波 大 小 为 目 标 ， 升 压 和 降 压CL 值 参 考 下 表 ：升 压 ： CL 值 为 表 中 值 乘 以 升 压 比降 压 ： CL 值 为 表 中 值 乘 以 降 压 比纹 波 与 ESR 成 正 比 ， 与 电 容 值 成 反 比 。 以 下 是 测 试 电 路 和 纹 波 与 CL 的 关 系图 ：注 ： 铝

24、电 解 电 容 时 ， 没 有 并 联 的 陶 瓷 电 容 的 话 ， ESR 过 大 难 以 获 得 输 出 电 流。7、 CIN 的 选 择虽 然 不 及 CL 对 输 出 稳 定 性 的 影 响 大 ， 但 CIN 也 是 电 容 值 越 大 、 ESR 越 小 则输 出 稳 定 性 越 好 ， 纹 波 也 越 小 。大 到 某 种 程 度 ， 降 低 输 出 纹 波 的 效 果 会 变 小 ， 从 防 止 对 输 入 侧 的 电 磁 干 扰EMI 的 意 义 上 说 ， 电 容 值 应 从 CL 的 一 半 左 右 开 始 探 讨 较 好 。CIN 不 会 因 ESR 太 小 而 输

25、出 振 荡 ， 所 以 ESR 越 低 越 好 。实 例 ： CIN 与 纹 波 的 关 系 ， 测 试 电 路 如 下 ：CIN 值 变 化 的 输 入 侧 纹 波 ， 见 下 图 ：8、 RFB1,和 RFB2 的 选 择使 用 FB（ 反 馈 ） 产 品 时 ， RFB1、 RFB2 用 于 决 定 输 出 电 压 ， 对 同 一 输 出 电 压有 时 可 考 虑 多 种 组 合 。 此 时 选 择 RFB1+RFB2=150k 500k 比 较 妥 当 。这 里 成 为 问 题 的 是 轻 负 载 时 的 效 率 和 重 负 载 时 的 输 出 稳 定 性 。 因 为 流 向 RFB1

26、、 RFB2 的 电 流 没 有 被 作 为 输 出 功 率 使 用 ， 而 视 作 DC/DC 转 换 器 的 损 失 ，所 以 要 想 提 高 轻 负 载 时 的 效 率 的 话 ， 要 将 RFB1、 RFB2 设 定 得 大 一 些 (RFB1+RFB21M 左 右 )。 而 要 想 提 高 重 负 载 时 的 瞬 态 响 应 的 话 ， 则 要 做 好 轻 负 载时 的 效 率 差 的 准 备 ， 将 RFB1、 RFB2 设 定 得 比 标 准 值 小 1 位 数 ， 使 FB 端 子的 电 压 稳 定 性 提 高 即 可 。9、 CFB 的 选 择CFB 是 纹 波 反 馈 调

27、整 用 电 容 器 ， 该 值 也 会 影 响 负 载 瞬 态 响 应 。CFB 过 小 ： 电 压 恢 复 到 恒 定 状 态 的 时 间 短 ， 但 负 载 变 重 时 电 压 急 剧 下 降 ；CFB 过 大 ： 负 载 变 重 时 的 瞬 间 电 压 下 降 虽 小 ， 但 电 压 恢 复 到 恒 定 状 态 的 时 间长 。在 特 别 的 情 况 下 ， 重 负 载 时 会 出 现 从 CFB 反 馈 到 FB 端 子 的 纹 波 的 影 响 过 大， 输 出 不 稳 定 的 情 况 。 出 现 这 种 情 况 时 ， 不 连 接 CFB 有 时 能 使 工 作 稳 定 。实 例 ： 测 试 电 路 如 下 ：