Boost升壓電路原理及設計詳解

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Boost升壓電路原理及設計詳解

2022-03-30 224

升壓電路是一種開關直流升壓電路，可使輸出電壓高於輸入電壓。它是電子電路設計中常用的電路設計方法。本文將介紹boost的基本原理以及電路參數的設計。

首先我們要知道：

電容阻隔電壓變化，透過高頻，阻隔低頻，透過交流，阻隔直流；

電感阻擋電流的變化，透過低頻，阻擋高頻，透過直流，阻擋交流；

圖1 升壓開關升壓電路原理圖

假設開關（三極管或MOS管）長期關斷，所有元件都處於理想狀態，電容電壓等於輸入電壓。

此電路將分兩部分進行解釋：充電和放電。

充電過程

充電時，開關閉合（三極管導通），等效電路如圖2所示。此時，輸入電壓流過電感。防止二極體電容器向地放電。由於輸入是直流電，電感上的電流以一定比例線性增加，且與電感量有關。隨著電感器電流的增加，一些能量被儲存在電感器中。

放電過程

如圖所示，這是開關管截止（三極管截止）時的等效電路。當開關關斷（三極管截止）時，流經電感的電流不會立即變成0，而是會從充電結束時的值慢慢變成0，這是由於電感的電流保持特性。原來的電路已經斷開，所以電感只能透過新電路放電，也就是電感開始為電容充電，電容兩端的電壓上升。此時電壓已高於輸入電壓，升壓完成。說起來，升壓過程就是電感的能量轉移過程。充電時，電感吸收能量，放電時，電感釋放能量。如果電容夠大，放電時輸出端可以保持連續的電流。如果重複這個開關過程，則可以在電容器兩端獲得高於輸入電壓的電壓。

boostCircuit升壓過程

以下是一些補充：

在低AA電壓下，反激升壓電路功率和效率的瓶頸在於開關管、整流管和其他損耗（包括電感）。不能使用磁鐵太小的（無法儲存適當的能量）和線徑太細的電感（高脈衝電流會導致很大的線損）。大多數整流器都使用肖特基，這與其他整流器相同。當輸出電壓為3.3V時，整流損耗約為10%。開關管，關鍵就在這裡，投入量夠大，進入飽和狀態，導通壓降一定要小，才是成功的關鍵。總共只有一伏，如果管子消耗太多，就沒有電了。因為選擇最大電流時，有些管子的壓力降不能超過0.2--0.3V，如果只有一根管子做不到，就要多管子並聯。最大電流是多少？如果它很簡單，我們就稱之為 1A，但它的意義遠不止於此。由於效率較低，會超過平均值1.5A。半週供電時為3A，實際電流波形為0～6A。因此，建議將5A和3A這兩根管子組合在一起勉強應付。現成的晶片都沒有整合上述大電流管，所以建議接地電路足以應付國外電路。這些補充內容是課本上沒有的知識，但可以與課本上的內容進行比較和驗證。當開關管導通時，電源會透過電感-開關管形成迴路，電流轉換為磁能儲存在電感中；當開關管關閉時，電感中的磁能轉換為電能，在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經二極體-負載形成迴路，完成升壓作用。既然如此，要提高轉換效率，就要從三個方面入手：盡可能降低開關管導通時電路的阻抗，使電能盡可能地轉換為磁能。盡可能降低負載電路的阻抗，使磁能盡可能轉換為電能，電路的損耗最低；盡可能減少控制電路的消耗，因為控制電路的消耗在某種意義上是浪費在轉換上，不能轉換為負載上的能量。

Boost電路參數設計

對於Boost電路來說，電感電流的連續模式與電感電流的斷續模式有很大不同。斷續模式的輸出電壓與輸入電壓、電感、負載電阻、佔空比和開關頻率有關。連續模式的輸出電壓僅取決於輸入電壓和占空比。

輸出濾波電容的選擇

在開關電源中，輸出電容的作用是儲存能量並維持電壓恆定。Boost電路電容的選擇主要是為了將輸出漣波控制在規定範圍內。對於Boost電路，電容器的阻抗和輸出電流決定了輸出電壓漣波。電容器的阻抗由三個部分組成，分別為等效串聯電感（ESL）、等效串聯電阻（ESR）和電容值（C）。在電感器電流連續模式下，電容取決於輸出電流、開關頻率和預期輸出漣波。當MOSFET導通時，輸出濾波電容提供全部負載電流。

電感

在開關電源中，電感的作用是儲存能量。電感的作用是保持電流恆定，或限制電感中電流的變化。在Boost電路中，通常會採用選擇合適的電感來限制流過其的漣波電流。電感的漣波電流與輸入電壓和MOSFET導通時間成正比，與電感量成反比。電感決定了連續模式和不連續模式的工作點。選擇電感器時除了考慮電感器的電感量外，還應注意最大直流或峰值電流以及最大工作頻率。如果電感的電流超過其額定電流或工作頻率超過其最大工作頻率，就會導致電感飽和、過熱。

MOSFET

在小功率DC/DC變換中，PowerMOSFET是最常用的功率開關。 MOSFET的成本相對較低，工作頻率較高。設計中選用MOSFET主要考慮其導通損耗和開關損耗。要求MOSFET具有足夠低的導通電阻RDS(ON)和相對較低的閘極電荷Qg。

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