BOOST電路手冊(cè)筆記

BOOST電路手冊(cè)筆記

1.1概述

BOOST電路：theboostconverter,或者叫step-upconverter,

是一種開(kāi)關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。

在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)涉及到升壓電路的設(shè)計(jì)，對(duì)于較大的功

率輸出，如70W以上的DC/DC升壓電路，由于專用升壓芯片

內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的限制，難于做到大功率升壓變換，而且芯片的價(jià)格

昂貴，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到很大限制?？紤]到Boost升壓結(jié)構(gòu)外接

開(kāi)關(guān)管選擇余地很大，選擇合適的控制芯片，便可設(shè)計(jì)出大功輸

出的DC/DC升壓電路。

1.2BOOST電路的基本工作方式

1.2.1BOOST電路的基本框圖,如圖1.1

圖1.1

1.2.2BOOST電路的基本工作方式

如圖1.1,采用恒頻控制方式，占空比可調(diào),Q導(dǎo)通時(shí)間為

TONOMOSFETQ導(dǎo)通時(shí)為電感充電過(guò)程，MOSFETQ關(guān)斷時(shí)，

為電感放電過(guò)程。

①M(fèi)OSFETQ導(dǎo)通時(shí)，等效模型如圖1.2o輸入電壓Vdc流

過(guò)電感L。二極管D防止電容C對(duì)地放電。由于輸入是直流電,

所以電感L上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大

小有關(guān)。隨著電感電流漕加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。

圖1.2

②MOSFETQ關(guān)斷時(shí)，等效模型如圖1.3。由于電感L的電

流不能突變的特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?,而是緩慢

由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的電路已斷開(kāi)，于是電感只能

通過(guò)新電路放電，即電感L開(kāi)始給電容C充電，電容兩端電壓

升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。

r—----?———r~^

圖1.3

123BOOST電路的波形分析，如圖1.3

注：L大于0,BOOST電路工作于連續(xù)模式，I.等于0,

BOOST電路工作于不連續(xù)模式。BOOST調(diào)整器最好作于不連續(xù)

模式。

MOSFETQ導(dǎo)通時(shí)，VD點(diǎn)接地，(假設(shè)MOSFET導(dǎo)通，

壓降為0)電壓為0V,因?yàn)檩斎腚妷汉愣╒A,所以電感兩端承受

的電壓為(Vdc-0)=Vdc為一個(gè)恒定值，因此流經(jīng)電感的電流線性上

升，其斜率為AI/4=vdc〃,L為電感量，此時(shí)電感內(nèi)部的電流變

化如圖1.4(e)所示的上升斜坡，而MOSFET內(nèi)部的電流如圖

1.4(c)所示。

MOSFETQ關(guān)斷時(shí)，由于電感電流不能突變的特性，電感

兩端的電壓極性顛倒，看作一個(gè)電源，和輸入電壓VA極性一致,

這樣，電路相當(dāng)于兩個(gè)電源串聯(lián)，流經(jīng)二極管D,給電容C充電。

因?yàn)閮蓚€(gè)串聯(lián)電源的總電壓必然高于其中一個(gè)電源輸入電

壓Vdc高，以此輸出電壓便會(huì)升高，且高于輸入電壓VA。

二極管的電流變化如圖L4(d),電感電流的變化如圖1.4

(e)

圖1.3

1.2.4BOOST電路的三種工作模式:連續(xù)工作模式，臨界工作

模式和不連續(xù)工作模式。

BOOST電路的工作模式取決于BOOST電路中電感的工

作模式，體現(xiàn)為電感電流II的變化。如圖（a）、（b）、（c）。

v

圖（a）連續(xù)工作模式

圖（b）臨界工作模式

圖（c）不連續(xù)工作模式

圖（a）電感II電流從上一個(gè)周期的關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)入下一個(gè)周

期的導(dǎo)通時(shí)，電感電流并未下降為0V,為連續(xù)工作模式；

圖（b）電感II電流從上一個(gè)周期的關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)入下一個(gè)周

期的導(dǎo)通時(shí)，電感電流哈好下降為0V,為臨界工作模式；

圖（c）電感II電流從上一個(gè)周期的關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)入下一個(gè)周

期的導(dǎo)通之前，電感電流已經(jīng)下降為0V,為不連續(xù)工作模式。

1.3BOOST電路的仿真測(cè)試

1.3.1BOOST電路的仿真測(cè)試（使用軟件PSIM）

①BOOST電路（連續(xù)工作模式）的仿真測(cè)試

1、BOOST電路（連續(xù)工作模式）仿真原理圖如圖1.5

圖1.5

2、BOOST（連續(xù)工作模式）仿真電路波形如圖1.6

圖1.6

②BOOST電路（臨界工作模式）的仿真測(cè)試

1、BOOST電路（臨界工作模式）原理圖如圖1.7

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圖1.7

2、BOOST電路（臨界工作模式）波形如圖L8

|5->10三仁小Xrmm

Ready

圖1.8

③BOOST電路（不連續(xù)工作模式）的仿真測(cè)試

1、BOOST電路（不連續(xù)工作模式）仿真原理圖如圖1.9

3PSIM-(CAUsers\8t&Bl￡\De$ktop\BOO$T4?irmch-)-

ISdEdhVUwSubdrcuhEkwwtsSimul"OptiomVrtftdowhWpx

□修0?1〃x|01MH/QI詆aiaalDlA|Q“illK

圖1.9

\T->V4JtAZUV?XmaixiIpSno

fU峙

圖1.10

1.4BOOST電路（不連續(xù)模式）的實(shí)物設(shè)計(jì)

1.4.1設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1、變壓器電感的計(jì)算；

2、MOSFET的選??；

3、二極管的選取；

4、輸出電容的選??；

5、PWM波的發(fā)生和電流放大電路；

6、反饋閉環(huán)的設(shè)計(jì)。

1.4.2參數(shù)具體計(jì)算

輸入電壓VA,輸出電壓匕，最大輸出功率P（或者負(fù)載最大

電流/?）,恒頻模式f,紋波電壓V”已知。

1、變壓器電感的計(jì)算；

由前面分析，已知BOOST電路要工作于不連續(xù)模式，必須

在一個(gè)周期結(jié)束前電感電流%減小到0,可是設(shè)計(jì)電路時(shí)為了避

免負(fù)載的波動(dòng)進(jìn)入連續(xù)模式，我們一般提前20%T的時(shí)間讓電感

電流%減小到0.如圖1.11,均有20%的死區(qū)裕度。死區(qū)時(shí)間為驍

(deadtime)

圖1.11

當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電感的電流線性上升，其斜率為

AI/4=Vdc/L,L為電感量，單位為H。W/c?單位V,AZ單位A

峰值為A/二苧心(1.1)

電感儲(chǔ)能為E=(1.2)

既然在一個(gè)周期結(jié)束前電感電流IQ減小到0,一個(gè)周期內(nèi)那

么電感將儲(chǔ)存的所有能量都供給了負(fù)載，那么電感傳輸?shù)哪芰繛?/p>

電感的功率=E=1L*AZ2*1(1.3)

當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，由圖1.3等效模型可知，在關(guān)斷期

間(7-心)，輸入電壓VA流經(jīng)電感L和二極管D,以同樣的電

流及(等于電感電流的有效值)給負(fù)載提供能量，

根據(jù)等面積法，電感電流的有效值為(有20%的死區(qū)裕度)

2008

/￡,皿*=1—%^」*“^^(1.4)

2T-TON2T-TON

電(1.5)

那么輸送到負(fù)載的總功率為尸=電,+2

化簡(jiǎn)得：?=0.4*%*T°N(1.6)

L

又因?yàn)樾?用竺*o.8r(留有20%的死區(qū)裕度)(1.7)

Vo

因?yàn)镻,Vdc,Vo,T(f)已知，所以電感值為

Ydc~

L=0.^—(1.8)

2、MOSFET的選??；

主要參數(shù)：(1)最大漏極源極電壓(Drain-SourceVoltage)

(2)連續(xù)漏極電流(ContinuousDrainCurrent)

(3)導(dǎo)通內(nèi)阻RDS{0N)(StaticDrain-SourceOn-State

Resistance)盡可能小，減少損耗。

(1)最大漏極源極電壓由BOOST電路的輸出電壓外決定的；

(2)連續(xù)漏極電流由MOSFET的工作峰值電流決定。由式(1.1)

可知△/=苧G

(3)導(dǎo)通內(nèi)阻時(shí)s(g是取決于選取的MOSFET本身，與BOOST

電路無(wú)關(guān)，可以通過(guò)查找芯片手冊(cè)datasheet中的％“叫。

3、二極管的選取;

主要參數(shù):(1)反向重復(fù)峰值電壓Vrrm(Repetitivepeakreverse

voltage)；

(2)最大整流電流(平均值)/。(Maximumaverage

forwardrectifiedcurrent)

(3)反向恢復(fù)時(shí)間TIT(ReverseRecoveryTime)

(1)反向重復(fù)峰值電壓Vrrm由BOOST電路的輸出電壓

歷決定的；

(2)最大整流電流(平均值)由續(xù)流二極管的工作峰

值電流決定，由圖1.4(c)(d)可知，續(xù)流二極管的峰值電流

和MOSFET的工作峰值電流一致，計(jì)算方法一致，為△1苧分

(3)反向恢復(fù)時(shí)間Trr由續(xù)流二極管的工作頻率f決定。

4、輸出電容的選??；

主要參數(shù)：(1)耐壓值；(2)容值。

(1)耐壓值由BOOST電路的輸出電壓歷決定的；

(2)容值根據(jù)設(shè)計(jì)要求的紋波電壓07?來(lái)確定。原理在BUCK

中已詳細(xì)分析。由式(1.1)可知△/=苧小，再根據(jù)式(1.9)、

(1.10)就可以計(jì)算出電解電容的C。

R0=也(1.9)

°A7

再由q二竿小(1.10)

5、波的發(fā)生和電流放大電路以及反饋閉環(huán)的電路，比較繁多,

可以通過(guò)硬件和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參考BUCK電路，不再詳述。

1.4.3設(shè)計(jì)：輸入電壓Vdc=12V,設(shè)定輸入頻率f=25KHz,輸出電

壓Vo=48V,額定負(fù)載電流ION=2A,工作于不連續(xù)工作模式下,

且要求負(fù)載為10%額定負(fù)載時(shí)，紋波電壓小于250mV。

解：

1、變壓器電感的計(jì)算；

P=Vo^ION=96W

由式(1.7)"=*08T得三=2.4*10%

Vo

由式(1.8)L=0.4*—^TON得L=14.4〃H

2、MOSFET的選??；

MOSFET的工作峰值電流由式（1.1）M-T

LON

可得AZ=20A,

輸出電壓V0=48V,

因此選擇MOSFET管75NF75,

MOSFET管75NF75參數(shù)：最大漏極源極電壓為

75V>V0=48V

連續(xù)漏極電流為80A>20A,

75NF75MOSFET的內(nèi)阻即“由=95”。,因此功耗非常小。

3、二極管的選取;

續(xù)流二極管的工作峰值電流和MOSFET的工作峰值電流一

致，得：A/=20Ao

反向重復(fù)峰值電壓Vrrm由BOOST電路的輸出電壓%決定

的輸出電壓V0=48V,

開(kāi)關(guān)頻率為f=25KHz.

因此選取兩個(gè)MBR20100肖特基二極管并聯(lián)。

MBR20100肖特基二極管參數(shù):最大整流電流（平均值）I。為

20A,2*20A=40A>AZ=20A