一种非常实用的Boost升压电路原理详解

1、一种实用的BOOST!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,选择适宜的限制芯片,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限制电路,根据UC3842的功能特点,结合Boost拓扑结构,完全可设计成电流型限制的升压DC/DC电路,且外接元器件少,限制灵活,本钱低,输出功

2、率容易做到100W以上,具有其他专用芯片难以实现的功能.1UC3842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限制的PWM比拟器,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、可限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限制,电路中直接用误差信号限制电感峰值电流,然后间接地限制PWM脉冲宽度.这种电流型限制电路的主要特点是

3、：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电流型限制检测电感电流和开关电流,并在逐个脉冲的根底上同误差放大器的输出比较,限制PWM脉宽,由于电感电流随误差信号的变化而变化,从而更容易设置限制环路,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电流型限制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿,由于,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

4、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.2Boost电路结构及特性分析2.1 由UC3842作为限制的Boost电路结构由UC3842限制的Boost拓扑结构及电路分别如图1和图2所示.图1UC3842限制的DC/DC升压电路结构1TUC3842ICJl7COMPVrefkrsV<iRiCi口ND的-IR工图2LC3842限制的升压DC/DC电路图2中输入电压Vi=1620V,既供应芯片,又供应升压变换.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

5、导通时,电感以Vi/L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(Vo-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限制,而传递能量的多少通过电感电流的峰值来限制.整个稳压过程由二个闭环来限制,即闭环1输出电压通过取样后反应给误差放大器,用于同放大器内部的2.5V基准电压比较后产生误差电压,误差放大器限制由于负载变化造成的输出电压的变化.闭环2Rs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比拟器同相输入端,与误差电压进行比拟后限制调制脉冲的脉宽,从而保持稳定的输出电压.误

6、差信号实际限制着峰值电感电流.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).CCM工作模式适合大功率输出电路,考虑到负载到达10%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.lt2Boost拓扑结构升压电路根本波形如图3所示.开关,S漏板电瘙波形开关售S电流波形电感/.电流波形输出电容(、电流波物整流极管D电流波石图3Roost升压电路根本波形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

7、为Vi-Vs.ton时通过L的电流增加局部4ILon满足式(1).Ar(Kih)/1A人jU)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中的能量提供应输出,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,电流的减少局部ILoff满足式2.匕+匕一匕AmL0.5V.由式1和2可得式中：Vf为整流二极管正向压降,快恢复二极管约0.8V,肖特基二极管约在电路稳定状态下,即从电流连续后到最大输出时,ILon=ILoFf,因占空比0HL/7

8、,即最大占空比人(4)如果忽略电感损耗,电感输入功率等于输出功率,即由式和式5得电感器平均电流/nave)A1一06同时由式1得电感器电流纹波A/=V-匕.Lf7式中：f为开关频率.为保证电流连续,电感电流应满足8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2(K-K)D(1-Z)Is(max)=二极管电流峰值Id(max)另外,由Boost升压电路结构可知,开关管电流峰值=电感器电流峰值ILP,hp-liiavr)+(AIl/2)(10)开关管耐压KiucfF)=K+K(11)二极管反向耐压匕=匕-匕(12)3样机电路设计样机的电路图如图2所示,是基于UC3842限制的升压式D

9、C/DC变换器.电路的技术指标为：输入Vi=18V,输出Vo=40V、Io=2A,频率f49kHz,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)得匕一K40-1840=0.55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),L>=86|iH2W7；)D(1-D)2x(18-09x0.55x(1-0.55)2x49000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

10、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A/l30%x5=30%x告2=30%XT55=L33A(由式7、式13可得=144jlH(18-0.9)xd55-1133x49000流过电感L的峰值电流由式10得II?=A(ave)+(AIl/2)=1.15X/o1D=L15x2f-O：55L可选用电感量为140200dH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预防电感饱和、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

11、,承受峰值电流水平较强,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=2.51+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,为预防造成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Ivmax=ILP=5.11A开关管的耐压由式11得Vdso

12、ff=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MOS开关管,要考虑的是通态电阻20.0V3.4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图4为实测开关管的开关电压波形和电流瞬态波形图.(a)轻战0.3A时开关管漏极电压和流经电流TekRunI00MSsSample(b)重载1.5A时开关管漏极电压和流经电流图4实测开关管漏极电压和流经电流波用Rds会随PN结温度T1的升高而增大.200mVM5OOpsCliIJ?.2V200517:49:5900VM5.00

13、msChi/而2V前Mar200517:55:14TekRunO.OMSsSampitA:51.02kHzA;4X-SkHzW：aH7Clil200V极管,假设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升.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ESR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<AVo/AIL=40x1%/1.33=O.3d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40:x5540x1%x2x49(W0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,

14、因此,选用560口/50V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.为使环路得到最正确补偿,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科和470pF时动态响应限制波形的区别,上冲下降幅度和复位时间都有差异.LOOVM1OQmsChII-20mV30Mar200518:25:44Chi(u)G眼0.rF时揄出电压动态响应(b)&取47

15、0pF时输出电压动态响应图5&选用不同值时的输出电压动态响应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上感应的电压比拟.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拟,作用是预防谐波振荡现象,预防UC3842工作不稳定,同时改善电流型限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比拟器输出高电平,造成PWM锁存器复位.根据UC3842关闭特