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Boost升压电路原理及设计详解

发布时间:2022-03-30作者来源:萨科微浏览:1660

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Boost电路是一种开关直流升压电路,它能够使输出电压高于输入电压。在电子电路设计当中算是一种较为常见的电路设计方式。本文将给大家介绍boost基本原理、电路参数设计。

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首先我们需要知道:

电容阻碍电压变化,通高频,阻低频,通交流,阻直流;

电感阻碍电流变化,通低频,阻高频,通直流,阻交流;


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图1Boost开关升压电路的原理图


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





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在充电过程中,开关闭合(三极管导通),等效电路如图2,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





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如图3这是当开关断开(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。



boost电路升压过程





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下面是一些补充:
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(含电感上)。
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)。
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。
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[敏感词]电流时不超过0.2--0.3V,单只做不到就多只并联。
[敏感词]电流有多大呢?简单点就算1A吧,其实不止。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。所以建议要用两只号称5A实际3A的管子并起来才能勉强对付。
现成的芯片都没有集成上述那么大电流的管子,所以建议用土电路就够对付洋电路了。
这些补充内容是教科书本上没有的知识,但是能够与教科书本上的内容进行对照并印证。

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: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;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[敏感词];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。



Boost电路参数的设计





对于Boost电路,电感电流连续模式与电感电流非连续模式有很大的不同,非连续模式输出电压与输入电压,电感,负载电阻,占空比还有开关频率都有关系。而连续模式输出电压的大小只取决于输入电压和占空比。



输出滤波电容的选择





在开关电源中,输出电容的作用是存储能量,维持一个恒定的电压。
Boost电路的电容选择主要是控制输出的纹波在指标规定的范围内。
对于Boost电路,电容的阻抗和输出电流决定了输出电压纹波的大小。
电容的阻抗由三部分组成,即等效串联电感(ESL),等效串联电阻(ESR)和电容值(C)。

在电感电流连续模式中,电容的大小取决于输出电流、开关频率和期望的输出纹波。在MOSFET开通时,输出滤波电容提供整个负载电流。



电感





在开关电源中,电感的作用是存储能量。
电感的作用是维持一个恒定的电流,或者说,是限制电感中电流的变化。
在Boost电路中,选择合适电感量通常用来限制流过它的纹波电流。
电感的纹波电流正比于输入电压和MOSFET开通时间,反比于电感量。电感量的大小决定了连续模式和非连续模式的工作点。
除了电感的感量外,选择电感还应注意它[敏感词]直流或者峰值电流,和[敏感词]的工作频率。

电感电流超过了其额定电流或者工作频率超过了其[敏感词]工作频率,都会导致电感饱和及过热。



MOSFET





在小功率的DC/DC变化中,PowerMOSFET是最常用的功率开关。MOSFET的成本比较低,工作频率比较高。
设计中选取MOSFET主要考虑到它的导通损耗和开关损耗。

要求MOSFET要有足够低的导通电阻RDS(ON)和比较低的栅极电荷Qg。


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