淺談Boost升壓電路的原理及設(shè)計(jì)

UC3S42是一種電流型脈寬調(diào)制電源芯片，價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于電子信息設(shè)備的電源電路設(shè)計(jì)，常用作隔離回掃式開(kāi)關(guān)電源的控制電路，根據(jù)UC3842的功能特點(diǎn)，結(jié)合Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完全可設(shè)計(jì)成電流型控制的升壓DC/DC電路，且外接元器件少，控制靈活，成本低，輸出功率容易做到100W以上，具有其他專用芯片難以實(shí)現(xiàn)的功能。

1 UC3842芯片的特點(diǎn)

UC3842工作電壓為16~30V，工作電流約15mA。芯片內(nèi)有一個(gè)頻率可設(shè)置的振蕩器;一個(gè)能夠源出和吸入大電流的圖騰式輸出結(jié)構(gòu)，特別適用于MOSFET的驅(qū)動(dòng);一個(gè)固定溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓和高增益誤差放大器、電流傳感器;具有鎖存功能的邏輯電路和能提供逐個(gè)脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達(dá)100%。另外，具有內(nèi)部保護(hù)功能，如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區(qū)時(shí)間等。

由UC3842設(shè)計(jì)的DC/DC升壓電路屬于電流型控制，電路中直接用誤差信號(hào)控制電感峰值電流，然后間接地控制PWM脈沖寬度。這種電流型控制電路的主要特點(diǎn)是：

1)輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化，電感電流自動(dòng)調(diào)整而不需要誤差放大器輸出變化，改善了瞬態(tài)電壓調(diào)整率;

2)電流型控制檢測(cè)電感電流和開(kāi)關(guān)電流，并在逐個(gè)脈沖的基礎(chǔ)上同誤差放大器的輸出比較，控制PWM脈寬，由于電感電流隨誤差信號(hào)的變化而變化，從而更容易設(shè)置控制環(huán)路，改善了線性調(diào)整率;

3)簡(jiǎn)化了限流電路，在保證電源工作可靠性的同時(shí)，電流限制使電感和開(kāi)關(guān)管更有效地工作;

4)電流型控制電路中需要對(duì)電感電流的斜坡進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)?，平均電感電流大小是決定輸出大小的因素，在占空比不同的情況下，峰值電感電流的變化不能與平均電感電流變化相對(duì)應(yīng)，特別是占空比，50%的不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差，即使占空比50%，也可能發(fā)生高頻次諧波振蕩，因而需要斜坡補(bǔ)償，使峰值電感電流與平均電感電流變化相一致，但是，同步不失真的斜坡補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定的難度。

2 Boost電路結(jié)構(gòu)及特性分析

2.1 由UC3842作為控制的Boost電路結(jié)構(gòu)

由UC3842控制的Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電路分別如圖1和圖2所示。

圖2中輸入電壓Vi=16~20V，既供給芯片，又供給升壓變換。開(kāi)關(guān)管以UC3842設(shè)定的頻率周期開(kāi)閉，使電感L儲(chǔ)存能量并釋放能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感以Vi/L的速度充電，把能量?jī)?chǔ)存在L中。當(dāng)開(kāi)關(guān)截止時(shí)，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過(guò)二極管D把儲(chǔ)存的電能以(Vo-Vi)/L的速度釋放到輸出電容器C2中。輸出電壓由傳遞的能量多少來(lái)控制，而傳遞能量的多少通過(guò)電感電流的峰值來(lái)控制。

整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)程由二個(gè)閉環(huán)來(lái)控制，即

閉環(huán)1 輸出電壓通過(guò)取樣后反饋給誤差放大器，用于同放大器內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓，誤差放大器控制由于負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化。

閉環(huán)2 Rs為開(kāi)關(guān)管源極到公共端間的電流檢測(cè)電阻，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間流經(jīng)電感L的電流在Rs上產(chǎn)生的電壓送至PwM比較器同相輸入端，與誤差電壓進(jìn)行比較后控制調(diào)制脈沖的脈寬，從而保持穩(wěn)定的輸出電壓。誤差信號(hào)實(shí)際控制著峰值電感電流。

2.2 Boost升壓結(jié)構(gòu)特性分析

Boost升壓電路，可以工作在電流斷續(xù)工作模式(DCM)和電流連續(xù)工作模式(CCM)。CCM工作模式適合大功率輸出電路，考慮到負(fù)載達(dá)到lO%以上時(shí)，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)，因此，按CCM工作模式來(lái)進(jìn)行特性分析。

Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓電路基本波形如圖3所示。

ton時(shí)，開(kāi)關(guān)管S為導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)，流經(jīng)電感L和開(kāi)關(guān)管的電流逐漸增大，電感L兩端的電壓為Vi，考慮到開(kāi)關(guān)管S漏極對(duì)公共端的導(dǎo)通壓降Vs，即為Vi-Vs。ton時(shí)通過(guò)L的電流增加部分△ILon滿足式(1)。

式中：Vs為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降和電流取樣電阻Rs上的壓降之和，約0.6~0.9V。

toff時(shí)，開(kāi)關(guān)管S截止，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲(chǔ)存在電感L中的能量提供給輸出，流經(jīng)電感L和二極管D的電流處于減少狀態(tài)，設(shè)二極管D的正向電壓為Vf，toff時(shí)，電感L兩端的電壓為Vo+Vf-Vi，電流的減少部分△ILoff滿足式(2)。

式中：Vf為整流二極管正向壓降，快恢復(fù)二極管約0.8V，肖特基二極管約0.5V。
在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，即從電流連續(xù)后到最大輸出時(shí)，△ILon=△ILoFf，由式(1)和(2)可得

如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即

由式(4)和式(5)得電感器平均電流

同時(shí)由式(1)得電感器電流紋波

式中：f為開(kāi)關(guān)頻率。

為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足

考慮到式(6)、式(7)和式(8)，可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為

另外，由Boost升壓電路結(jié)構(gòu)可知，開(kāi)關(guān)管電流峰值Is(max)=二極管電流峰值Id(max)=電感器電流峰值ILP，

3 樣機(jī)電路設(shè)計(jì)

樣機(jī)的電路圖如圖2所示，是基于UC3842控制的升壓式DC/DC變換器。電路的技術(shù)指標(biāo)為：輸入Vi=18V，輸出Vo=40V、Io=2A，頻率f≈49 kHz，輸出紋波噪聲1%。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合Boost電路結(jié)構(gòu)的定性分析，對(duì)圖2的樣機(jī)電路設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)的選擇進(jìn)行具體的說(shuō)明。

3.1 儲(chǔ)能電感L

根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4)得

當(dāng)輸出最大負(fù)載時(shí)至少應(yīng)滿足電路工作在CCM模式下，即必須滿足式(9)，

同時(shí)考慮在10%額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以假設(shè)電路在額定輸出時(shí)，電感紋波電流為平均電流的20%~30%，因增加△IL可以減小電感L，但為不增加輸出紋波電壓而須增大輸出電容C2，取30%為平衡