一种非常实用的Boost升压电路原理详解.doc

一种实用的BOOST电路0 引言在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计，对于较大的功率输出，如 70W 以上的 DC ／DC 升压电路，由于专用升压芯片内部开关管的限制，难于做到大功率升压变换，而且芯 片的价格昂贵，在实际应用时受到很大限制考虑到 Boost 升压结构外接开关管选择余地 很大，选择合适的控制芯片，便可设计出大功率输出的 DC ／DC 升压电路UC3S42 是一种电流型脉宽调制电源芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源 电路设计，常用作隔离回扫式开关电源的控制电路，根据 UC3842 的功能特点，结合 Boos t 拓扑结构，完全可设计成电流型控制的升压 DC ／DC 电路，且外接元器件少，控制灵活，成本低，输出功率容易做到 100W 以上，具有其他专用芯片难以实现的功能1 UC3842 芯片的特点UC3842 工作电压为 16~30V ，工作电流约 15mA 芯片内有一个频率可设置的振荡器； 一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构，特别适用于 MoSFET 的驱动；一个固定温 度补偿的基准电压和高增益误差放大器、 电流传感器； 具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐 个脉冲限流控制的 PWM 比较器，最大占空比可达 100 ％。

另外，具有内部保护功能，如滞 后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等由 UC3842 设计的 DC ／DC 升压电路属于电流型控制， 电路中直接用误差信号控制电感 峰值电流，然后间接地控制 PWM 脉冲宽度这种电流型控制电路的主要特点是：1） 输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输 出变化，改善了瞬态电压调整率；2） 电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比 较，控制 PWM 脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路， 改善了线性调整率；3） 简化了限流电路，在保证电源工作可靠性的同时，电流限制使电感和开关管更有效地 工作；4） 电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿，因为，平均电感电流大小是决定 输出大小的因素， 在占空比不同的情况下， 峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相 对应，特别是占空比， 50 ％的不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差，即 使占空比 <50 ％，也可能发生高频次谐波振荡，因而需要斜坡补偿，使峰值电感电流与平均 电感电流变化相一致，但是，同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度。

2 Boost电路结构及特性分析2.1由UC3842作为控制的 Boost电路结构由UC3842控制的Boost拓扑结构及电路分别如图 1和图2所示图1 IIC3842控制的DC/DC升压电路结构闭D4UC3842IC(f■■■ t1 ( OMPVrefs]70VoRi/Ci GMDRi图2 UC3842控制的升压DC/DC电路图2中输入电压 Vi=16~20V，既供给芯片，又供给升压变换开关管以 UC3842设定的频率周期开闭，使电感L储存能量并释放能量 当开关管导通时，电感以Vi/ L的速度充电， 把能量储存在L中当开关截止时，L产生反向感应电压， 通过二极管D把储存的电能以(Vo-Vi) /L的速度释放到输出电容器 C2中输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少通过电感电流的峰值来控制整个稳压过程由二个闭环来控制，即闭环1输出电压通过取样后反馈给误差放大器，用于同放大器内部的 2.5V基准电压比较后产生误差电压， 误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化 闭环2 Rs为开关管源极到公共端间的电流检测电阻，开关管导通期间流经电感 L的电流在Rs上产生的电压送至 PwM比较器同相输入端，与误差电压进行比较后控制调制脉冲 的脉宽，从而保持稳定的输出电压。

误差信号实际控制着峰值电感电流 2.2 Boost升压结构特性分析Boost升压电路，可以工作在电流断续工作模式 （DCM）和电流连续工作模式（CCM）CCM工作模式适合大功率输出电路， 考虑到负载达到10 %以上时，电感电流需保持连续状态，因此，按CCM工作模式来进行特性分析Boost拓扑结构升压电路基本波形如图 3所示幵关管SiW Bi电压波形开黄？fS电流波形电感［电流波形 li p整訛极管D电流波形图3 升压电路基本波形ton时，开关管S为导通状态，二极管 D处于截止状态，流经电感 L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为 Vi，考虑到开关管 S漏极对公共端的导通压降 Vs，即为Vi-Vs ton时通过L的电流增加部分厶ILon满足式 ⑴1)式中：Vs为开关管导通时的压降和电流取样电阻 Rs上的压降之和，约 0.6~0.9Vtoff时，开关管S截止，二极管D处于导通状态，储存在电感 L中的能量提供给输出,流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管 D的正向电压为 Vf, toff时，电感L两端的电压为 Vo+Vf-Vi，电流的减少部分△ ILoff满足式⑵… （Va + Vf- Vi） trfr 5、Moff 二 一j ⑵0.5V。

由式⑴和⑵可得式中：Vf为整流二极管正向压降，快恢复二极管约 0.8V，肖特基二极管约在电路稳定状态下，即从电流连续后到最大输出时，△ ILon= △ ILoFf，(3)因占空比D=u./r,即最大占空比%(4)如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率，即由式⑷和式⑸得电感器平均电流同时由式（1）得电感器电流纹波式中：f为开关频率为保证电流连续，电感电流应满足⑸（6）（7）（8）考虑到式（6）、式（7）和式（8），可得到满足电流连续情况下的电感值为2(%-匕)/)(」—/)) （9）ls（max）=二极管电流峰值 Id（max）另外，由Boost升压电路结构可知，开关管电流峰值=电感器电流峰值ILP ,ZtP = lumj + ( A Il/2)开关管耐压(10)(11)二极管反向耐压Vds(cifF)— Vo + Vf(12)= 8602(%-匕)/)(」—/)) （9）= 8602(%-匕)/)(」—/)) （9）3样机电路设计样机的电路图如图 2所示，是基于UC3842控制的升压式 DC/DC变换器电路的技术 指标为：输入 Vi=18V，输出Vo=40V、lo=2A，频率f衣49 kHz，输出纹波噪声 1 %。

根据技术指标要求，结合 Boost电路结构的定性分析，对图 2的样机电路设计与关键参数的选择进行具体的说明3.1储能电感L根据输入电压和输出电压确定最大占空比由式 （4）得Dow严40 — 1840=0. 55当输出最大负载时至少应满足电路工作在 CCM模式下，即必须满足式（9）,2仇讥）川17）2x(18 弋 9)x055x(15 55)2x49000同时考虑在10 %额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的 20 % ~30 %,因增加△ IL可以减小电感L,但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容 C2，取30 %为平衡点，即= 860A A = 30% x /山眩）=30%/o1 ~D2= 30% x ~~ =1.33 A （13）1由式（7）、式（13）可得（%-并）〃 （18-0.9）xO. 55 =—W = r 33X49000 N 144 M流过电感E的峰值电流由式（10）得6= /£（.„»+（AZt/2）= l. 15 xvA?二 1・ 15 x二 5. 11 AL可选用电感量为140~200 yH且通过5A以上电流不会饱和的电感器。

电感的设计包括 磁芯材料、尺寸、型号选择及绕组匝数计算、线径选用等电路工作时重要的是避免电感饱 和、温升过高磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大， 材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强， EMI低而选用线径大的导线绕制电感， 能有效降低电感的温升3.2输出电压取样电阻 R1、R2因UC3842的脚2为误差放大器反向输入端，芯片内正向输入端为基准 2.5v，可知输出电压Vo=2.5(1+R1 / R2)，根据输出电压可确定取样电阻 R1、R2的取值由于储能电感的作用，在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻 Rs上产生一个尖峰脉冲，为防止造成 UC3842的误动作，在 Rs取样点到UC3842的脚3间加 入R、C滤波电路，R、C时间常数约等于电流尖峰的持续时间3.3开关管S开关管的电流峰值由式(10)得lv(max)=ILP=5.11A开关管的耐压由式(11)得Vds(off)=Vo+Vf=40+0.8=40.8V按20 %的余量，可选用 6A/ 50V以上的开关管为使温升较低，应选用 Rds较小的MOS开关管，要考虑的是通态电阻 Rds会随PN结温度T1的升高而增大。

图4为实测开关管的开关电压波形和电流瞬态波形图Tek Run I O OMS $ Sarnpte(a)轻栽0. 3 A时幵关管漏扱电压和流经疤流Tek Run I0 0MS s SampleA;4M nKkHz Wi: *» Hz30 Mar 200517:55:14OS开关管，要考虑的是通态电阻 Rds会随PN结温度T1的升高而增大OS开关管，要考虑的是通态电阻 Rds会随PN结温度T1的升高而增大b)重载L 5 A时开关管漏扱电压和流经电流® 4 实测幵关管漏极电压和流经电流渡形3.4输出二极管D和输出电容器 C2升压电路中输出二极管 D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流二极管的峰值电流 ld(max)=ILP=5.11A ，本电路可选用 6A/50V以上的快恢复二lek RuiiJOOS s Sample极管，若采用正向压降低的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高输出电容C2的选定取决于对输出纹波电压的要求， 纹波电压与电容的等效串联电阻 ESR有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流电容的 ESR< △ Vo/△ IL=40x1 % /1.33=0.3 Q。

另外，为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容量应满足V.CDT _ 4O2xO. 55AKZ' = 40 x 1% x 2 x 49(W0根据计算出的ESR值和容量值选择电容器，由于低温时 ESR值增大，故应按低温下的ESR来选择电容，因此，选用 560 ^F/50V以上频率特性好的电解电容可满足要求3.5外补偿网络UC3842误差放大器的输出端脚 I与反相输入端脚2之间外接补偿网络 Rf、CfRf、Cf的取值取决于 UC3842环路电压增益、额定输出电流和输出电容，通过改变 Rf、Cf的值可改变放大器闭环增益和频响为使环路得到最佳补偿，可测试环路的稳定度，测量 Io脉动时输出电压 Vo的瞬态响应来加以判断图5为Cf选用0.0。