BOOST电路35041学习课程

1、1、Boost变换原理DUTTUUinoffoninO11)1(offinOoninTUUTU)(tNULtUNLoffswonswNN_)()(（能量守恒能量守恒）inonLUU_inOoffLUUU_（KVL）（伏秒平衡伏秒平衡）（D1,升升压压）（电磁感应定律电磁感应定律）avgLI_max_LImin_LIti（假设（假设电感流是连续的电感流是连续的）提示：提示：Boost电感电流过大，或开关导通时间过长或截止时间过长，电感都有可能饱和。电感电流过大，或开关导通时间过长或截止时间过长，电感都有可能饱和。onTT大小大小avgLI_max_LImin_LItionTT负载电流负载电流Io

2、Io纹波纹波电感量电感量L L斜率斜率输入输出电压输入输出电压D D磁饱和磁通达到极限，不再增加磁通达到极限，不再增加感生电动势（感生电动势（ULUL）变为）变为0变为导线一条（变为导线一条（R R很小）很小）电流急剧上升，电流急剧上升，烧元件烧元件第1页/共19页第一页，编辑于星期五：十二点 十八分。电感电流模式1 1、BOOSTBOOST电感电流是否只能是连续的电感电流是否只能是连续的（即即CCMCCM模式模式）？）？问题2 2、有没有可能进入有没有可能进入DCMDCM模式？在什么情况下可能进入模式？在什么情况下可能进入DCMDCM模式？模式？电感量较小（电感量较小（DCMDCM）avgL

3、I_max_LImin_LITonT电感量较大（电感量较大（CCMCCM）avgLI_max_LImin_LITonTDT开关无论是闭合还是断开，开关无论是闭合还是断开，L L都有电流吗？都有电流吗？闭合时，电流上升，储能闭合时，电流上升，储能断开时，电流下降，放能断开时，电流下降，放能能量放完，电流应该为能量放完，电流应该为0 0，此时，此时0LUD D阳极对地电压为阳极对地电压为inU阴极对地电压为阴极对地电压为OUOinUUD D反向偏置，反向偏置，D D电流为电流为0 0，L L电流亦为电流亦为0 0inLUU inOLUUUD D电流为电流为0 0期间，负载依靠电容期间，负载依靠电容

4、C C供电供电提示提示：电感量：电感量L较小时，容易进入较小时，容易进入DCM模式，若模式，若L不变，当负载电流下降也会进入不变，当负载电流下降也会进入DCM。讨论参考地参考地高高低低第2页/共19页第二页，编辑于星期五：十二点 十八分。DCM模式下的输出电压avgLI_max_LImin_LI1tT2tDUUinO11问题CCMCCM模式下模式下DCMDCM模式下，该式是否成立？模式下，该式是否成立？TDLUIinL )(开关导通状态下，电感电流上升开关导通状态下，电感电流上升开关断开状态下，电感电流下降开关断开状态下，电感电流下降TDLUUIinOL1)(D1D电感电流上升值与下降值相等电

5、感电流上升值与下降值相等11DDDUUinO电感电流平均值等于输出电流平均值电感电流平均值等于输出电流平均值)21(11TDITRUpekOSinORTLKKDUU2,24112（D1D1随电流而变随电流而变）提示：提示：CCM与与DCM模式模式Uo是不同的是不同的!第3页/共19页第三页，编辑于星期五：十二点 十八分。2、BOOST电路基本参数在额定输出电流条件下保证输出电压纹波符合指标要求（在额定输出电流条件下保证输出电压纹波符合指标要求（宜大不宜小宜大不宜小）1 1、若若满载时，工作在满载时，工作在CCMCCM模式，负载减轻时，逐渐进入模式，负载减轻时，逐渐进入DCMDCM模式模式2 2

6、、若若满载时，工作在满载时，工作在DCMDCM模式模式开关频率、电感电流模式及其开关频率、电感电流模式及其工作点（即在何时工作在哪种工作点（即在何时工作在哪种模式模式CCM/DCMCCM/DCM？）？）电感电感（体积较小，纹波较大，通过电容来弥补体积较小，纹波较大，通过电容来弥补）电容电容 额定电压、电流和功耗在安全范围，并考虑尽量小的导通损耗和开关损耗额定电压、电流和功耗在安全范围，并考虑尽量小的导通损耗和开关损耗开关开关续流二极管续流二极管 开通速度、击穿电压、额定电流和正向压降开通速度、击穿电压、额定电流和正向压降保证电路在额定条保证电路在额定条件下能正常工作件下能正常工作 ! !额定条

7、件：额定条件：输入电压范围、最大输出电流（额定电流）输入电压范围、最大输出电流（额定电流）正常工作：正常工作：各元件安全（电压、电流、功耗不超负苛）各元件安全（电压、电流、功耗不超负苛）输出电压正确、纹波不超标。输出电压正确、纹波不超标。（与电压无关与电压无关）输入输出输入电压范围、输出电压、输入电压范围、输出电压、输出电流、输出电压纹波输出电流、输出电压纹波工作过程元件参数（2 2个储能元件个储能元件 + + 2 2个半导体开关个半导体开关）目标第4页/共19页第四页，编辑于星期五：十二点 十八分。电感计算与选择1 1、在满载时，工作模式选在满载时，工作模式选CCMCCM，还是选，还是选DC

8、MDCM（工作点工作点）2 2、纹波电流选多大（纹波电流选多大（纹波电流与电感量成反比纹波电流与电感量成反比）负载电流较大（负载电流较大（CCMCCM）avgLI_max_LImin_LITonT负载电流减小必定进入负载电流减小必定进入DCMDCMavgLI_max_LImin_LITonT1.1 1.1 根据使用的控制器（根据使用的控制器（ICIC）的要求）的要求1.2 1.2 根据空间体积要求根据空间体积要求1.3 1.3 一般情况下选择一般情况下选择CCMCCM较好较好原因：原因：减小电流纹波、降低峰值、减小对开关管的冲击；有利于减小电磁干扰；有利于减小输出电压纹波电感计算的依据2.1

9、2.1 一般可以选电流纹波不超过输出电流的一般可以选电流纹波不超过输出电流的30%30%原因：原因：此时算出的电感量比较大，负载电流减小到一定程度才进入DCM模式2.2 2.2 也可以选电流纹波等于输出电流的也可以选电流纹波等于输出电流的2 2倍倍原因：原因：此时算出的电感量为BCM（临界导电）模式，选择大一点的电感值就是CCM模式了，负载减小时容易进入DCM1.1 1.1 根据使用的控制器（根据使用的控制器（ICIC）的要求）的要求1.2 1.2 根据空间体积要求根据空间体积要求1.3 1.3 一般情况下选择一般情况下选择CCMCCM较好较好2.1 2.1 一般可以选电流纹波不超过输出电流的

10、一般可以选电流纹波不超过输出电流的30%30%第5页/共19页第五页，编辑于星期五：十二点 十八分。电感计算与选择举例tILULItULLITULoninswonfDTOinOUUUDOII2swOOinOinfUIUUUL2)(（BCMBCM临界模式临界模式）Uin Uin 越大，越大，L L 越大越大应选择应选择UinUin上限计算上限计算HL3010501212)5 .512(5 .53例：例：输入电压输入电压%)10(5V输出电压输出电压V12输出电流输出电流A1开关频率开关频率kHz50解：解：此值为按此值为按BCMBCM（临界模式）计算的最小（临界模式）计算的最小电感量，应选择比这

11、个值更大才能保证满电感量，应选择比这个值更大才能保证满载时工作在载时工作在CCMCCM模式模式提示：提示：注意电感的额定电流必须大于输出电流值，同时考虑其工作频率、铜损和铁损注意电感的额定电流必须大于输出电流值，同时考虑其工作频率、铜损和铁损第6页/共19页第六页，编辑于星期五：十二点 十八分。电容计算与选择举例1 1、在额定输出电流条件下保证输出电压纹波符合指标要求在额定输出电流条件下保证输出电压纹波符合指标要求电容计算的依据2 2、电容的阻抗和输出电流决定了输出电压纹波的大小电容的阻抗和输出电流决定了输出电压纹波的大小3 3、电容的阻抗包括：等效串联电感（电容的阻抗包括：等效串联电感（ES

12、LESL）、等效串联电阻（）、等效串联电阻（ESRESR）和容抗（）和容抗（X XC C）4 4、开关导通时，电容提供全部负载电流，而开关断开时，电容充电开关导通时，电容提供全部负载电流，而开关断开时，电容充电5 5、若满载时设计为若满载时设计为CCMCCM模式，电容的容量计算公式模式，电容的容量计算公式VfDICswOmaxmax_6 6、若满载时设计为若满载时设计为DCMDCM模式，电容的容量计算公式模式，电容的容量计算公式VfTRLICswSO)21 (max_（其中：其中： 为最大输出电流，为最大输出电流， 为最大占空比）为最大占空比）max_OImaxD（其中：其中： 为电感电流为为

13、电感电流为0 0的时长，的时长， 为输出电压纹波）为输出电压纹波）STV（其中：其中： 为负载电阻，为负载电阻， 为开关频率）为开关频率）Rswf7 7、流过电容的电流有效值为流过电容的电流有效值为DDIIOrmsC1_（例：输入例：输入12V12V，输出，输出24V/0.5A24V/0.5A）（则：电容电流有效值也是则：电容电流有效值也是0.5A0.5A）第7页/共19页第七页，编辑于星期五：十二点 十八分。铝电解电容的ESR8 8、实际设计中、实际设计中，需要考虑电容的，需要考虑电容的ESRESR对输出电压纹波的影响（对输出电压纹波的影响（常用的铝电解电容器常用的铝电解电容器）（1 1）理

14、想电容器无理想电容器无ESRESR，假设：开关频率为，假设：开关频率为50kHz50kHz032. 010100105014. 3212163fCXCVF50/100VF50/10033. 0AV5 . 0/24AV5 . 0/24（2 2）频率为频率为50kHz50kHz，有效值为，有效值为0.5A0.5A的脉动电流流过的脉动电流流过 它产生的压降（它产生的压降（即纹波电压即纹波电压）VUC016. 0032. 05 . 0（3 3）假设某品牌假设某品牌100uF/50V100uF/50V的电解电容的的电解电容的ESRESR为为0.330.33 欧，则仅欧，则仅ESRESR就使输出电压纹波增

15、加了就使输出电压纹波增加了1010倍倍ESRESR产生功耗、产生功耗、温度上升、温度上升、电解液汽化、电解液汽化、容量减小（失效）、容量减小（失效）、膨胀、鼓包、爆裂膨胀、鼓包、爆裂电容滤波原理连串问题：连串问题：4848第8页/共19页第八页，编辑于星期五：十二点 十八分。使用铝电解电容时注意安全防爆槽防爆槽（1 1）选用高频低阻选用高频低阻（2 2）耐压足够高耐压足够高（3 3）极性不能接反极性不能接反（4 4）远离热源远离热源（5 5）防爆槽不对人防爆槽不对人（1 1）选择选择ESRESR小的聚合物、钽电解电容小的聚合物、钽电解电容（2 2）选择高频低阻的铝电解电容选择高频低阻的铝电解电

16、容（3 3）选择容量更大的普通电解电容选择容量更大的普通电解电容9 9、ESLESL也会产生一定的压降，增加输出电压纹波（也会产生一定的压降，增加输出电压纹波（电容并联可以减小总的电容并联可以减小总的ESLESL和和ESRESR）1010、不同种类的电容器的阻抗构成比例不同，其中铝电解电容的不同种类的电容器的阻抗构成比例不同，其中铝电解电容的ESLESL和和ESRESR较大较大滤波电容的选择铝电解电容使用注意事项第9页/共19页第九页，编辑于星期五：十二点 十八分。功率开关管的选择1 1、中小功率中小功率DC/DCDC/DC变换中，变换中，Power MOSFETPower MOSFET（场效

17、应管）是最常用的功率开关（场效应管）是最常用的功率开关功率开关管的选择依据2 2、MOSFETMOSFET（场效应管）成本低、工作频率高（场效应管）成本低、工作频率高3 3、设计中主要考虑它的设计中主要考虑它的导通损耗导通损耗和和开关损耗开关损耗4 4、要求有足够低的要求有足够低的导通电阻导通电阻（R RDS(ON)DS(ON)）和比较低的栅极电苛（和比较低的栅极电苛（QgQg）5 5、MOSFETMOSFET的耗散功率可以由下式计算的耗散功率可以由下式计算sgsgsonfrOonDSonMOSFETfVQfDIttVDRDIP2)(2)1()(21)1(6 6、开关开关断开断开时，承受电压约

18、等于时，承受电压约等于UoUo 因此因此DSDS间的击穿电压必须大于间的击穿电压必须大于UoUo7 7、开关开关导通导通时，流过电流为电感电流，时，流过电流为电感电流， 但由于但由于MOSFETMOSFET的额定电流越大导通的额定电流越大导通 电阻越小，因此在条件允许时可选电阻越小，因此在条件允许时可选 额定电流大一点的额定电流大一点的MOSFET(MOSFET(数倍数倍IoIo）第10页/共19页第十页，编辑于星期五：十二点 十八分。二极管的选择rrIFIrmI0t1t2t3trrtDIt普通整流二极管普通整流二极管 1000 ns1000 ns快恢复二极管（快恢复二极管（100100，10

19、001000）nsns超快恢复二极管（超快恢复二极管（1010，100100）nsns肖特基二极管肖特基二极管 10 ns1V1V快恢复二极管快恢复二极管 0.81.1V0.81.1V肖特基二极管肖特基二极管 0.30.6V0.30.6V几种类型二极管的参考正向压降几种类型二极管的参考正向压降二极管的正二极管的正向压降随着向压降随着电流的增大电流的增大而有所增大而有所增大结论结论综合反向恢复速度和正向压降综合反向恢复速度和正向压降这两项性能指标，开关电源中这两项性能指标，开关电源中通常选用肖特基二极管较好。通常选用肖特基二极管较好。二极管其他参数二极管其他参数常用二极管：常用二极管：普通普通1

20、N400X1N400X、1N540X1N540X；快速（超快）快速（超快）FRFR、HERHER、UFUF、SFSF等系列；肖特基等系列；肖特基SBSB、SRSR、1N58XX1N58XX第12页/共19页第十二页，编辑于星期五：十二点 十八分。3、Boost稳压控制原理检测输出检测输出电压是否电压是否有波动有波动分析电压波分析电压波动方向动方向调节占空比，反方向调节占空比，反方向调节输出电压，达到调节输出电压，达到动态稳定动态稳定提示：提示：3个环节：检测、分析、调节。个环节：检测、分析、调节。造成输出电压不稳的原因输入电压不稳输入电压不稳元件参数漂移元件参数漂移外界干扰外界干扰解决输出电压

21、不稳的思路实时临视输出电压，根据其变化反方向调节占空比实时临视输出电压，根据其变化反方向调节占空比负载变化负载变化第13页/共19页第十三页，编辑于星期五：十二点 十八分。稳压控制的实施Gnd输出电压波动的输出电压波动的方向和大小（方向和大小（放放大以提高调节的大以提高调节的灵敏度灵敏度）例：例：UoUo升高时，升高时，UeUe减小减小, ,占空比占空比D D减小，减小，PWMPWM比较器输出方波比较器输出方波（并调节占空比并调节占空比）提示：提示：记住记住3个环节的元件。个环节的元件。思考：思考：试分析试分析 UinUin 降低时，降低时，UoUo、UsamUsam、UeUe、D D 的变化

22、过程。的变化过程。采样电压与输出采样电压与输出电压成正比电压成正比检测检测分析分析调节调节DUUinO11UoUo下降下降第14页/共19页第十四页，编辑于星期五：十二点 十八分。GUUUo)(UUUU提示：提示：电压比较器为开环放大器，输出只有高低电平两种结果之一。电压比较器为开环放大器，输出只有高低电平两种结果之一。PWM比较器同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端结论结论G G为为开环放大倍数开环放大倍数Uo Uo 趋向电源电压上限（高电平）趋向电源电压上限（高电平）Uo Uo 趋向电源电压下限（低电平）趋向电源电压下限（低电平）例：例：G=100dB（105倍），U-=5V，U+=5

23、.01V，试算Uo？解：解：VUo10010)5001. 5(5思考思考若该电压比较器的工作电压若该电压比较器的工作电压Vcc=12VVcc=12V，上述结果是否合理？，上述结果是否合理？（NONO）第15页/共19页第十五页，编辑于星期五：十二点 十八分。)(iiifiOUURRUU1 1、流入输入端电流极小，相当于断开，流入输入端电流极小，相当于断开，“虚断虚断”ifVRRA 分析方法分析方法2 2、两输入端电压降极小，相当于短路，两输入端电压降极小，相当于短路，“虚短虚短”（由由KCLKCL、虚断、虚短得、虚断、虚短得）提示：提示：误差放大器为负反馈放大器，只有负反馈放大器才能使用误差放

24、大器为负反馈放大器，只有负反馈放大器才能使用“虚短虚短”和和“虚断虚断”来分析。来分析。实质是负反馈放大器（从输出端取一部分信号反馈到反相输入端，以减小放大倍数从输出端取一部分信号反馈到反相输入端，以减小放大倍数）（实现有限的、可控的放大实现有限的、可控的放大）（基于运放的输入电阻很大基于运放的输入电阻很大）fOiiiiRUURUU（闭环放大倍数闭环放大倍数）误差放大器输出电压输出电压其中其中例：例：Rf=100k，Ri=1k，U+=5V，U-分别为5.001V和4.999V时，试算Uo？VkkUo9 . 4)5001. 5(110051VkkUo1 . 5)5999. 4(110052解：解：采样采样参考电压参考电压第16页/共19页第