boost电路设计
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Boost电路设计规范
本文对Boost 电路的电路参数进行了数学推导,介绍了Boost 电路器件的选择,用于通用Boost 电路的设计 DC/DC 模块中,需要升压的电路。
Boost 电路的原理图如下图所示
L
D
C Q ?R
当MOSFET 开通时,电源给电感L 充电,电感储能,电容放电。电感上的电流增加量(电感线圈未饱和时)为:
DT L V I in L ⋅=
∆+)(
其中:D 为占空比,T 为开关周期。
当MOSFET 关断时,电感放电,电感的能量通过二极管传递到负载。电感上的电流不断减小,忽略二极管的压降,则电流变化为:
T D L
V V I in
o L )1()(-⋅-=
∆-
电感电流连续模式时,在稳态条件下,电感上的电流增加等于其电流减小,即
)()(-+∆=∆L L I I ,于是整理可得:
D
V V in
o -=
11
因为0 电感电流非连续模式时,MOSFET 开通状态下,电感电流的增值为: DT L V I in L ⋅= ∆+)( MOSFET 关断状态下,电感电流的下降值为: T D L V V I in o L 2)(⋅-= ∆- 电感电流上升值等于下降值,即)()(-+∆=∆L L I I ,整理得: 2 2 D D D V V in o += 因为在此模式下电感电流是不连续的,所以每个周期电感电流都会下降至零。输出电流等于电感电流的平均值,即 )2 1(12T D I T R V pk o ⋅⋅⋅= )(+=L pk I I 由上式得,2 4112 K D V V n i o ++⋅ =,s T R L K ⋅= 2 由此可以看出,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。 1.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。在Boost 电路中,为了满足期望的输出纹波电压,电容值可以按下式选取 V f D I C s o ∆⋅⋅≥ max max 其中:max o I 为最大的输出电流; max D 为最大的占空比。 对电感电流非连续模式,电容为 V f Ts R L I C s o ∆⋅⋅-⋅≥ ) 21(max 在实际设计中,由于电容的ESR ,为了保证较小的纹波电压,必须要选择更大容值的电容。 在电感电流连续模式中,假设电容值足够大以至于可以忽略。就要有足够小的ESR 来限制输出的电压纹波。 ) 21( max max L o o I D I V ESR ∆+-∆≤ 在电感电流非连续模式下: L o I V ESR ∆∆≤ 纹波电流通过电容的ESR 中会产生功率损耗,这个损耗会使电容内部的温度上升。过度的温升会大大缩短电容的使用寿命。在不同的环境温度下,电容都有额定的纹波电流。通过电容的电流不能超过其额定值。通过输出电容电流的有效值为 D D I I o MS R c -=1 ESL 可以通过选用低ESL 的电容,限制引线线长度(PCB 以及电容),和采用多个小电容并联的形式来控制它的大小。 有三种低阻抗的电容,铝、有机半导体和固体钽电容都适合于一般低成本的商业领域。低阻抗铝电解电容成本低,在较小的封装下可以提供更大的容量。但其ESR 比较大。有机半导体电解电容在工业电源中用的越来越普遍。它可以提供较小的ESR 和比较大的容量。固体钽电容可以提供低的ESR 和ESL 以及比较大的容量。在开关电源中是比较理想的选择。 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最大直流或者峰值电流,和最大的工作频率。电感电流超过了其额定电流或者工作频率超过了其最大工作频率,都会导致电感饱和及过热。 磁器件厂家提供了很多的电感都可用于DC/DC 变换器。开关电源中最常用的磁心是铁氧体和电工铁。 由于电感绕线的直流电阻,电流通过时产生电感铜损。同时,由于电感的交流电流会导致磁通交变,产生磁损。功率损耗会引起电感的温度上升,过度的温升会使导线的绝缘降低。 Boost 电路中,电感的损耗可以由下式计算, core cu L nductor i P R I P +=2 , 其中:cu R 为绕线电阻; core P 为磁损,可以有磁心厂家的数据手册中查到。 在小功率的DC/DC 变化中,Power MOSFET 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R DS(ON)和比较低的栅极电荷Qg 。 MOSFET 的耗散功率可以由下式计算, s gs g s on f r o on DS on f V Q f D I t t V D R D I PMOSFET ⋅⋅+⋅-⋅+⋅⋅+ ⋅⋅-=2 )(2 )1( )(2 1)1( 选择续流二极管的重要的标准是:开通速度、击穿电压、额定电流、正向导通电压。开关电源中,通常选择低正向导通电压的肖特基二极管。 续流二极管的损耗计算: o D D I V P ⋅=