Boost升壓電路原理講解

Boost電路是一種開(kāi)關(guān)直流升壓電路，它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設(shè)計(jì)當(dāng)中算是一種較為常見(jiàn)的電路設(shè)計(jì)方式。本文將給大家介紹boost基本原理、電路參數(shù)設(shè)計(jì)。

首先我們需要知道：

電容阻礙電壓變化，通高頻，阻低頻，通交流，阻直流；

電感阻礙電流變化，通低頻，阻高頻，通直流，阻交流；

圖1 Boost開(kāi)關(guān)升壓電路的原理圖

假定那個(gè)開(kāi)關(guān)(三極管或者M(jìn)OS管)已經(jīng)斷開(kāi)了很長(zhǎng)時(shí)間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓。

下面要分充電和放電兩個(gè)部分來(lái)說(shuō)明這個(gè)電路。

充電過(guò)程

在充電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)閉合(三極管導(dǎo)通)，等效電路如圖2，開(kāi)關(guān)(三極管)處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感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)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。

放電過(guò)程

如圖3這是當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)（三極管截止）時(shí)的等效電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)（三極管截止）時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(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，即電感開(kāi)始給電容充電，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。

說(shuō)起來(lái)升壓過(guò)程就是一個(gè)電感的能量傳遞過(guò)程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過(guò)程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)通斷的過(guò)程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

boost電路升壓過(guò)程

下面是一些補(bǔ)充：

AA電壓低，反激升壓電路制約功率和效率的瓶頸在開(kāi)關(guān)管，整流管，及其他損耗(含電感上)。

電感不能用磁體太小的(無(wú)法存應(yīng)有的能量)，線徑太細(xì)的(脈沖電流大，會(huì)有線損大)。

整流管大都用肖特基，大家一樣，無(wú)特色，在輸出3.3V時(shí)，整流損耗約百分之十。

開(kāi)關(guān)管，關(guān)鍵在這兒了，放大量要足夠進(jìn)飽和，導(dǎo)通壓降一定要小，是成功的關(guān)鍵。總共才一伏，管子上耗多了就沒(méi)電出來(lái)了，因些管壓降應(yīng)選最大電流時(shí)不超過(guò)0.2--0.3V，單只做不到就多只并聯(lián)。

最大電流有多大呢？簡(jiǎn)單點(diǎn)就算1A吧，其實(shí)不止。由于效率低會(huì)超過(guò)1.5A，這是平均值，半周供電時(shí)為3A，實(shí)際電流波形為0至6A。所以建議要用兩只號(hào)稱5A實(shí)際3A的管子并起來(lái)才能勉強(qiáng)對(duì)付。

現(xiàn)成的芯片都沒(méi)有集成上述那么大電流的管子，所以建議用土電路就夠?qū)Ω堆箅娐妨恕?/p>

這些補(bǔ)充內(nèi)容是教科書(shū)本上沒(méi)有的知識(shí)，但是能夠與教科書(shū)本上的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)照并印證。

開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)由電感-開(kāi)關(guān)管形成回路，電流在電感中轉(zhuǎn)化為磁能貯存；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負(fù)右正，此電壓疊加在電源正端，經(jīng)由二極管-負(fù)載形成回路，完成升壓功能。既然如此，提高轉(zhuǎn)換效率就要從三個(gè)方面著手：盡可能降低開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)回路的阻抗，使電能盡可能多的轉(zhuǎn)化為磁能；盡可能降低負(fù)載回路的阻抗，使磁能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)回路的損耗最低；盡可能降低控制電路的消耗，因?yàn)閷?duì)于轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，控制電路的消耗某種意義上是浪費(fèi)掉的，不能轉(zhuǎn)化為負(fù)載上的能量。

Boost電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

對(duì)于Boost電路，電感電流連續(xù)模式與電感電流非連續(xù)模式有很大的不同，非連續(xù)模式輸出電壓與輸入電壓，電感，負(fù)載電阻，占空比還有開(kāi)關(guān)頻率都有關(guān)系。而連續(xù)模式輸出電壓的大小只取決于輸入電壓和占空比。

輸出濾波電容的選擇

在開(kāi)關(guān)電源中，輸出電容的作用是存儲(chǔ)能量，維持一個(gè)恒定的電壓。

Boost電路的電容選擇主要是控制輸出的紋波在指標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。

對(duì)于Boost電路，電容的阻抗和輸出電流決定了輸出電壓紋波的大小。

電容的阻抗由三部分組成，即等效串聯(lián)電感(ESL)，等效串聯(lián)電阻(ESR)和電容值(C)。

在電感電流連續(xù)模式中，電容的大小取決于輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率和期望的輸出紋波。在MOSFET開(kāi)通時(shí)，輸出濾波電容提供整個(gè)負(fù)載電流。

電感

在開(kāi)關(guān)電源中，電感的作用是存儲(chǔ)能量。

電感的作用是維持一個(gè)恒定的電流，或者說(shuō)，是限制電感中電流的變化。

在Boost電路中，選擇合適電感量通常用來(lái)限制流過(guò)它的紋波電流。

電感的紋波電流正比于輸入電壓和MOSFET開(kāi)通時(shí)間，反比于電感量。電感量的大小決定了連續(xù)模式和非連續(xù)模式的工作點(diǎn)。

除了電感的感量外，選擇電感還應(yīng)注意它最大直流或者峰值電流，和最大的工作頻率。

電感電流超過(guò)了其額定電流或者工作頻率超過(guò)了其最大工作頻率，都會(huì)導(dǎo)致電感飽和及過(guò)熱。

MOSFET

在小功率的DC/DC變化中，PowerMOSFET是最常用的功率開(kāi)關(guān)。MOSFET的成本比較低，工作頻率比較高。

設(shè)計(jì)中選取MOSFET主要考慮到它的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

要求MOSFET要有足夠低的導(dǎo)通電阻RDS(ON)和比較低的柵極電荷Qg。