一种非常实用的Boost升压电路原理详解资料.pdf

一种实用的 BOOST 电路 0 引言 在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计，对于较大的功率输出，如70W 以上的 DC DC 升压电路，由于专用升压芯片内部开关管的限制，难于做到大功率升压变换，而且芯 片的价格昂贵，在实际应用时受到很大限制。考虑到Boost 升压结构外接开关管选择余地 很大，选择合适的控制芯片，便可设计出大功率输出的DC DC 升压电路。 UC3S42 是一种电流型脉宽调制电源芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源 电路设计，常用作隔离回扫式开关电源的控制电路，根据UC3842 的功能特点，结合Boos t 拓扑结构，完全可设计成电流型控制的升压DC DC 电路，且外接元器件少，控制灵活， 成本低，输出功率容易做到100W 以上，具有其他专用芯片难以实现的功能。 1 UC3842 芯片的特点 UC3842 工作电压为1630V ，工作电流约15mA 。芯片内有一个频率可设置的振荡器； 一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构，特别适用于MoSFET 的驱动；一个固定温 度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器； 具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐 个脉冲限流控制的PWM 比较器，最大占空比可达100 。另外，具有内部保护功能，如滞 后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。 由 UC3842 设计的 DC DC 升压电路属于电流型控制，电路中直接用误差信号控制电感 峰值电流，然后间接地控制PWM 脉冲宽度。这种电流型控制电路的主要特点是： 1)输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输 出变化，改善了瞬态电压调整率； 2)电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比 较，控制 PWM 脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路， 改善了线性调整率； 3)简化了限流电路，在保证电源工作可靠性的同时，电流限制使电感和开关管更有效地 工作； 4)电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿，因为，平均电感电流大小是决定 输出大小的因素， 在占空比不同的情况下，峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相 对应，特别是占空比，50的不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差，即 使占空比 50，也可能发生高频次谐波振荡，因而需要斜坡补偿，使峰值电感电流与平均 电感电流变化相一致，但是，同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度。 2 Boost电路结构及特性分析 2.1 由 UC3842 作为控制的Boost电路结构 由 UC3842 控制的 Boost 拓扑结构及电路分别如图1 和图 2 所示。 图 2 中输入电压Vi=1620V ，既供给芯片，又供给升压变换。开关管以UC3842 设定的 频率周期开闭， 使电感 L 储存能量并释放能量。当开关管导通时， 电感以 ViL 的速度充电， 把能量储存在L 中。当开关截止时， L 产生反向感应电压，通过二极管D 把储存的电能以(V o-Vi) L 的速度释放到输出电容器C2 中。输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量 的多少通过电感电流的峰值来控制。 整个稳压过程由二个闭环来控制，即 闭环 1 输出电压通过取样后反馈给误差放大器，用于同放大器内部的2.5V 基准电压比 较后产生误差电压，误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化。 闭环 2 Rs 为开关管源极到公共端间的电流检测电阻，开关管导通期间流经电感L 的电 流在 Rs 上产生的电压送至PwM 比较器同相输入端，与误差电压进行比较后控制调制脉冲 的脉宽，从而保持稳定的输出电压。误差信号实际控制着峰值电感电流。 2.2 Boost升压结构特性分析 Boost 升压电路，可以工作在电流断续工作模式(DCM) 和电流连续工作模式(CCM) 。CC M 工作模式适合大功率输出电路，考虑到负载达到lO以上时， 电感电流需保持连续状态， 因此，按 CCM 工作模式来进行特性分析。 Boost 拓扑结构升压电路基本波形如图3 所示。 ton 时，开关管S 为导通状态，二极管D 处于截止状态，流经电感L 和开关管的电流逐 渐增大，电感L 两端的电压为Vi，考虑到开关管S 漏极对公共端的导通压降Vs，即为 Vi- Vs。ton 时通过 L 的电流增加部分ILon 满足式 (1) 。 式中： Vs 为开关管导通时的压降和电流取样电阻Rs 上的压降之和，约0.60.9V 。 toff 时，开关管S 截止，二极管D 处于导通状态，储存在电感L 中的能量提供给输出， 流经电感 L 和二极管D 的电流处于减少状态，设二极管D 的正向电压为Vf，toff 时，电感 L 两端的电压为Vo+Vf-Vi ，电流的减少部分ILoff 满足式 (2)。 式中： Vf 为整流二极管正向压降，快恢复二极管约0.8V ，肖特基二极管约0.5V 。 在电路稳定状态下，即从电流连续后到最大输出时，ILon= ILoFf ，由式 (1)和(2)可得 如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率，即 由式 (4)和式 (5)得电感器平均电流 同时由式 (1)得电感器电流纹波 式中： f 为开关频率。 为保证电流连续，电感电流应满足 考虑到式 (6)、式 (7)和式 (8)，可得到满足电流连续情况下的电感值为 另外，由Boost 升压电路结构可知，开关管电流峰值Is(max)= 二极管电流峰值Id(max) =电感器电流峰值ILP ， 3 样机电路设计 样机的电路图如图2 所示，是基于 UC3842 控制的升压式DC DC 变换器。 电路的技术 指标为：输入Vi=18V ，输出 Vo=40V 、Io=2A ，频率 f 49 kHz ，输出纹波噪声1。 根据技术指标要求，结合Boost 电路结构的定性分析，对图2 的样机电路设计与关键参 数的选择进行具体的说明。 3.1 储能电感L 根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4)得 当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM 模式下，即必须满足式(9)， 同时考虑在10额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出 时，电感纹波电流为平均电流的20 30 ，因增加 IL 可以减小电感L，但为不增加输出 纹波电压而须增大输出电容C2，取 30 为平衡点，即 L 可选用电感量为140200H 且通过 5A 以上电流不会饱和的电感器。电感的设计包括 磁芯材料、 尺寸、型号选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱 和、温升过高。 磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁 芯，承受峰值电流能力较强，EMI 低。而选用线径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温 升。 3.2 输出电压取样电阻R1、 R2 因 UC3842 的脚 2 为误差放大器反向输入端，芯片内正向输入端为基准2.5v ，可知输出 电压 Vo=2.5(1+R1 R2) ，根据输出电压可确定取样电阻R1、R2 的取值。 由于储能电感的作用，在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻Rs 上 产生一个尖峰脉冲，为防止造成UC3842 的误动作，在Rs 取样点到UC3842 的脚 3 间加 入 R、C 滤波电路， R、 C 时间常数约等于电流尖峰的持续时间。 3.3 开关管 S 开关管的电流峰值由式(10) 得 Iv(max)=ILP=5.11A 开关管的耐压由式(11) 得 Vds(off)=Vo+Vf=40+0.8=40.8V 按 20 的余量，可选用6A 50V 以上的开关管。为使温升较低，应选用Rds 较小的 M OS 开关管，要考虑的是通态电阻Rds 会随 PN 结温度 T1 的升高而增大。 图 4 为实测开关管的开关电压波形和电流瞬态波形图。 3.4 输出二极管D 和输出电容器C2 升压电路中输出二极管D 必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最 大电流。二极管的峰值电流Id(max)=ILP=5.11A，本电路可选用6A50V 以上的快恢复二 极管，若采用正向压降低的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高。 输出电容C2 的选定取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻ES R 有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。 电容的 ESR Vo/ IL=40x1 /1.33=O.3 。 另外，为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容量应满足 根据计算出的ESR 值和容量值选择电容器，由于低温时ESR 值增大，故应按低温下的 ESR 来选择电容，因此，选用560F50V 以上频率特性好的电解电容可满足要求。 3.5 外补偿网络 UC3842 误差放大器的输出端脚l 与反相输入端脚2 之间外接补偿网络Rf、Cf 。 Rf、Cf 的取值取决于UC3842 环路电压增益、额定输出电流和输出电容，通过改变Rf、Cf 的值可 改变放大器闭环增益和频响。为使环路得到最佳补偿，可测试环路的稳定度，测量Io 脉动 时输出电压Vo 的瞬态响应来加以判断。 图 5 为 Cf 选用 0.0l F 和 470pF 时动态响应控制波形的区别，上冲下降幅度和复位时间 都有差别。 3.6 斜坡补偿 在实用电路中， 增加斜坡补偿网络，一般有二种方法， 一是从斜坡端脚4 接补偿网络Rx、 Cx 至误差放大器反相输入端脚2， 使误差放大器输出为斜坡状，再与 Rs 上感应的电压比较。 二是从斜坡端脚4 接补偿网络Rx、Cx 到电流感应端脚3，将在 Rs 的感应电压上增加斜坡 的斜率，再与平滑的误差电压进行比较，作用是防止谐波振荡现象，避免UC3842 工作不 稳定，同时改善电流型控制开关电压的噪声特性。本文采用方法二。 3.7 保护电路 当 UC3842 的脚 3 电压升高超过1V 或脚 1 电压降到1V 以下，都可使 PWM 比较器输出 高电平，造成PWM 锁存器复位。根据UC3842 关闭特性，可以很容易在电路中设置过压 保护和过流保护。本电路中Rs 上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路，当脚3 达到 1 V 时就会出现限流现象，所以，整个电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余 量，就能保证稳压电路工作可靠，降低成本。 4 结语 按以上原理和计算设计丁输入18V ，输出 40V 的 80W 升压 DCDC 电路，整个电路调 试容易，工作稳定，可靠性高，效率达80以上，特别是成本低，已应用于实际设备中。 另外，可根据具体的电路指标要求，对电路灵活控制、变动，设计出其他的应用电路。