[整理]升压式DC／DC变换器的研究与设计

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------------- 升压式DC／DC变换器的研究与设计

李亚雄

摘要

如今，随着手机、相机以及平板电脑等各种便携式数码电子产品的快速发展和市场的不断扩大，电子产品扮演着人们日常生活中举足轻重的地位。电源管理芯片，作为整个电子系统中不可或缺的组成部件，其发展和需求量都得到了迅猛增加。由于具有转换效率高、小体积是等特点，DC/DC变换器被广泛应用于各种便携式电子产品中。本文通过分析和研究DC/DC 变换器的三种基本的拓扑结构和工作原理，设计了一款升压式DC/DC变换器。

该升压式DC/DC变换器的输入电压范围为2.7 V-5.5 V，可应用于锂离子电池供电的各种便携式电子产品中，稳定输出电压高达18 V，最大负载电流可达200 mA。电路调制采用电压控制PWM方式，内建振荡器的频率为1.5 MHz。为提高系统效率采用同步整流技术。并且研究了升压型变换器的模型建立，设计了欠压锁定、过温关断等保护电路提升了系统的稳定性。

本文完成了带隙基准电压源、LDO稳压器、PWM比较器、误差放大器、钳位电路、振荡器、系统补偿电路等DC/DC变换芯片控制电路的子模块的设计。电路基于0.35 μm BCD6S工艺，使用Cadence Spectre仿真工具完成了系统的仿真验证。仿真结果表明本文设计的升压式DC/DC变换器切实可行，各项性能均能达到设计目标。

关键词： DC/DC变换器；升压式；设计；仿真；

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1 引言

日常使用的便携式电子产品需要多种电压，但是这些产品通常只能由一组电池供电，所以其必须通过DC/DC 变换器供给所需要的各种直流电压。依据输入电路与输出电路的之间关系，DC/DC变换器可分为升压型 (Boost)、降压型 (Bulk)，升压-降压型 (Boost-Bulk)和反相型 (CuK)DC/DC变换器[1]。

Boost 型DC/DC变换器技术尤其是数控Boost 型DC/DC变换器技术是一门实践性非常强的工程技术，其应用服务于各行各业。如今Boost 型DC/DC变换器技术融合了电子、系统集成、电气、材料和控制理论等诸多学科领域。Boost 型DC/DC变换器是电子技术中应用最多的仪表设备之一，广泛的应用于科研和教学等领域，是电路开发部门、电子实验员和电子设计人员进行科学研究和实验操作不可或缺的电子仪器设备。在电子电路中，供电一般采用电压稳定的直流Boost 型DC/DC变换器。在整个稳定电压过程中，Boost 型DC/DC变换器通常由变压器、整流、滤波和稳压等四部分构成。但是这种传统的Boost 型DC/DC变换器具有可靠性低、功能简单、不好控制、精度低、干扰大和复杂度高等缺点。传统的Boost 型DC/DC变换器有很多品种，但都存在以下两个问题：变换器随着使用时间的增长，会出现波段开关及电位器接触不良的问题，影响输出。稳压方式一般采用串联型稳压电路，对过载进行限流与截流保护，电路构成比较复杂，稳压精度低。另外，由于通过粗调（波段开关）和细调（电位器）来调节输出电压[2-3]。所以，当需要精确输出电压，或需要在一个很小的范围内变化时，难度较大。

在各种便携式电子设备中，一般供电都采用电压稳定的直流Boost 型DC/DC变换器。但是在日常实际生活中，供电均由220 V的交流电网提供，所有这就便需要通过变压、整流、滤波和稳压电路将220 V交流电转换成稳定的直流电。滤波器的作用是滤去整流输出电压中的纹波，传统电路一般由电容器和滤波扼流圈构成，如果由晶体管滤波器来替换，则可减小直流Boost 型DC/DC变换器的体积和减轻其重量，并且晶体管滤波直流Boost 型DC/DC-------------

------------- 变换器不需要直流稳压器便能够用作家用设备的Boost 型DC/DC变换器，既缩小家用设备的体积，使家用设备小型化，还能大幅降低家用设备的成本。传统的Boost 型DC/DC变换器一般通过波段开关和电位器来实现对电压的调节，并且使用电压表指示电压的大小，所以其变换器具有电压调节精度低，读数直观度不高和电位器易损坏的缺点。但是基于单片机控制的Boost 型DC/DC变换器能够较好地弥补以上传统Boost 型DC/DC变换器的缺点[4]。

随着电子行业的快速发展，Boost 型DC/DC变换器是其发展的必然产物。如今，随着电子技术的发展，可调Boost 型DC/DC变换器得到了越来越广泛的应用。目前，各种单片机控制的数字Boost 型DC/DC变换器发展越来越快，已经被广泛应用于工业电器、家庭电器和军事电器等领域，显示出强大的主流性。同时，由于它较强的扩展能力和日趋完善的功能而扩展应用到人类生活的各个方面。

2 Boost 型DC/DC变换器原理分析

2.1 Boost 型DC/DC变换器

图2.1为Boost 型DC/DC变换器拓扑结构，主要由以下四个部分组成：开关(SW)、续流二极管(D)、升压电感(L)、滤波电容(C)。其中开关(SW)是受控制电路决定的周期性导通。

图2.1 Boost 型DC/DC变换器拓扑结构

当开关导通时，储能电感的两端被输入电压加载，电感储存能量，使能量不能传递给输出端，根据电感方程，有：

LINdIVLdt 2.1

由2.1可推导：

1 LINIVdtL 2.2

假设输入电压VIN保持不变，则有：

min INLLVItIL 2.3

其中，ILmin是开关SW导通之前通过电感L的电流，由此我们可以看出，在开关导通后，-------------

------------- 电感上的电流线性升高，开关上的电流也呈现线性增加的趋势，当t=ton，在终止开关导通的状态时刻，电感电流达到最大值[5]，为：

maxonmin INLLVItIL 2.4

当开关断开时，电感电压呈反向状态，此电压与电源电压叠加后，通过负载电容 (C)和二极管 (D)加载到负载两端，通过二极管电感储存的能量传递给输出端，与此同时直流源也给负载提供能量。则有：

-LOINdIVVLdt 2.5

在t1时刻，计算得通过电感L的电流为：

max1- --OINLLVVIIttL（） 2.6

在t-t1=toff时，通过电感的电流达到最小值，为：

minmax-- OINLLoffVVIItL 2.7

将2.7式带入ILmax的2.4表达式中，可得：

maxonmax --INOINLLoffVVVItItLL 2.8

整理2.8式得到：

1 onoffonOININoffofftttVVVtt 2.9

根据2.9式，此电路的输入电压VIN低于输出电压VO，因此将此电路称为升压型DC/DC变换器。在工作过程中，开关的关断时间toff和导通时间ton都是可以使升压型DC/DC变换器的输出电压变化。

2.2 Boost 型DC/DC变换器的导通工作模式

当工作过程达到稳态时，转换电路存在两种工作模式：滤波电感非连续导通模式DCM

(Discontinual- Conduction- Mode)和连续导通模式CCM (Continual- Conduction- Mode)。在非连续导通模式(DCM)下当达到稳定状态时每个周期中电路电感电流都回到零；在连续导通模式(CCM)下电路电流回到某一非零值。其中，连续导通模式(CCM)是功率变换中最普遍的工作模式。下面将具体讨论Boost型DC/DC变换器的两种工作模式[6]。

2.2.1 Boost型DC/DC变换器的连续导通模式

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------------- 图2.2 Boost 型DC/DC变换器CCM电感电流波形图

将变换器的占空比(D)定义为开关管导通的时间(TON)和工作周期(T)之比：

ONTDT 2.10

在一个周期内，当开关电源工作处于连续导通模式下时，开关管导通时间为DT，则电感电流的净增长量为：

INONINONVTVITLLD 2.11

所以电感储存能量可表示为：

22211 ()22ONINVELLTI 2.12

输出电容提供该阶段的输出负载电流，由于足够的大的开关频率，较短的周期，可以认为输出电压VO仅仅得到了一个很小幅度的降低，此降低称为输出电压纹波，由于幅度很小，它相对输出电压的值是可以忽略，所以负载仍获得不变的输出电流。因此为了尽可能的降低输出电压纹波，电路必须具备足够的大输出电容。

如果(1)DT为开关断开的时间，则电感电流的减少量为：

(1)OFINOINOFOFFVVVVIDTLLT 2.13

在稳定状态下，为了使电路能够以稳定的能量包的形式向负载传递能量，ONI必须与OFFI相等，则有Boost型DC/DC变换器的占空比与输出输入之间的关系：

1INOVVD 2.14

输出纹波电压OV：

OOOLIDTVDVCRCf 2.15

其中f、R、OI分别为开关工作频率、负载电阻和输出电流。适用的电容值便可以根据纹波电压的指标选择。

将电压纹波系数定义为：

OOVDVRCf 2.16