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  • 简谈BOOST升压电路

    2021-11-01 21:26:21
    BOOST电路,一个作为硬件工程师熟悉的不能再熟悉的硬件电路。...即使在遇到陌生的升压模块电路的相关IC,你也能熟练的搭建其外围电路。 说了那么多,接下来开始进入我们的主题-BOOST电路。 首先,先上

    BOOST电路,一个作为硬件工程师熟悉的不能再熟悉的硬件电路。其在很多硬件领域都会运用到。

    就拿小白所在的手机/平板领域,其也用到了很多和BOOST相关的模块化设计。例如屏幕的背光模块,音频功放的SMART PA模块以及闪光灯驱动模块等等。虽用到了不同的IC,但其终究到底还是BOOST电路的延伸化设计。只要你能熟悉BOOST相关的知识,就能轻松了解其中的这些模块设计的原理。即使在遇到陌生的升压模块电路的相关IC,你也能熟练的搭建其外围电路。

    说了那么多,接下来开始进入我们的主题-BOOST电路。

    首先,先上图。
    在这里插入图片描述

    图为最简单的BOOST升压电路的电路图。主要包含了电源V1,肖特基二极管D1,功率电感L1,以及NMOS管Q1和电容C1,负载R1。

    其中,MOS管的源极接地,栅极接入一定频率的PWM波。

    了解过MOS管的都知道,MOS管属于电压驱动型器件。只要给予G极一定的电压使得GS之间存在一定的压差,满足VGS>VGS(th)即可使MOS管处于导通状态。PWM作为一定频率的方波,其电平高低起伏变化。

    当G极为高电平时,此时MOS管导通,忽略DS压降的情况下,可看作是一条导线。

    当G极为低电平时,此时MOS管关闭,可看作为断路。

    PWM高低电平不停的变化,也就造成了MOS管所在的支路,不停的导通与断开。只要导通与关闭的频率足够的大,其就能输出一个稳定的电压。

    讨论此电路,我还是分下面两种场景进行讨论。

    (1)MOS管由关闭到导通状态:电路电流流向:V1正极→L1→V1负极。电源供电几乎全部给了电感L1,电感进行储能。同时与负载并联的C1此阶段进行放电,C1两端的电压不能突变。D1的存在,防止了C1对地放电。

    (2)MOS管由导通到断开状态:电路电流流向:V1正极→L1→D1→R1→V1负极。由于电感属于储能元件,且具备电流不能突变的原因,所以此时流经电感的电流,依旧保持和MOS管导通时的方向,且断开状态下,电感对外界释放能量。

    为了更好的理解其具备升压的作用,我们可以简单的将电感类比于一块电池。在MOS管断开的状态下,电池内部电流走向由负极→正极,外部电流由正极→负极。所以电感的两端,左端看作为负极,右端则为正极。其刚好与V1串联,也就相当于两块电池串联,其共同作用给与负载R1传递能量。此时负载电阻的电压必定大于输入电压V1,因此也就达到了升压的目的。

    BOOST升压的原理,我们知道了。其由MOS管的导通与关闭共同作用产生的。了解了原理,依旧不能忘记输出电压值的计算,其与哪些参数强相关。

    电感存在电压平衡秒伏定理。在开关电源中,即加在电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感两端电压乘以关断时间。在此电路中,忽略MOS管压降与肖特二极管压降等理想状态下。

    导通时,电感两端电压为Vin,导通时间DT。
    关闭时,电感两端电压为Vo-Vin,关闭时间为(1-D)T。
    所以VinDT=(Vo-Vin)(1-D)T。
    Vo=Vin
    D /(1-D) +Vin
    Vo=Vin
    /(1-D)
    所以,我们可以看出输出的电压值主要取决于输入电压值与PWM的占空比有关。其中,当占空比为50%时,输出电压为输入电压的二倍。

    讲完了输出电压,接着讲一讲另一个值得关注的物理量-电感电流,其需要用到一个公式 UL=L*di /dt。
    根据公式可以推出,电感电流值I与时间成正比与电感值成反比。因此,我们在用示波器测量流经电感的电流波形时,会发现其是存在一定斜率的直线,而并非我们常见的水平的直线。其中,MOS管导通与关闭的情况下,电感的极性会发生反向,因此看到的完整的电流的波形,应该属于折现的形状,
    在这里插入图片描述

    因此也就有了仿真电路图中,示波器里的粉红色的波形。对于电感的选取也非常重要,其感值以及饱和电流都是值得关注的地方。具体怎么个选择,这不是今天的文章所要讨论的,我后面再专门做一期进行推送。

    BOOST电路作为非常重要的知识,作为硬件工程师都应该要了解的电路。小白以简洁的方式进行了描述,希望大家能明白。

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    本文将着重讲解UC3843A升压电路中振荡频率和占空比的确定方法,其升压方法采用Boost电路,UC3843A的Boost升压电路参考原理图,如下图所示。


    在这里首先需要和大家说的是,振荡频率由RT和CT决定,且只有RT决定最大占空比。RT/CT引脚内部电路如下图所示,电平在1.2V到2.8V之间,Idischg是8.3mA,其最大振荡频率可达250KHz。



    下面给出最大占空比的计算公式,如下图。


    该表达式中,大部分都为常量,我们用这些常量替代这个公式,可以得到下图所示的公式,其中RT以K欧计。


    使用Excel带入常用的电阻阻值,可得到下表,红色表示RT的阻值以K欧计,绿色是计算出来的占空比,有了这个表,我们就可以根据不同的占空比,选择不同的阻值了。在这里需要说明的是为什么要限制最大占空比?这就是要保证你所输出的电压有个最大的极限值,无论你如何调整电路上的参数,输出的电压也不会超过此值,以保证对负载的安全性。大部分经典的升压电路,均选择15K欧。


    得到了RT的阻值后,我们就可以进一步确定CT的容值了,计算公式如下。


    按照计算RT同样的方法,我们先对该公式进行化简。


    接下来我们计算RT为15K时,电容与频率的关系,其Excel表,如下所示,红色表示电容的容值,绿色表示频率。由于增加频率,可以减小电感感量,所以选择1nF的电容比较合适。


    总结:本文从UC3843A的内部原理,给大家讲解了RT和CT的取值方法,如果对输出电压的最大幅值没有特定的限制,选择RT为15K,CT为1nF是比较合适的。在这里还需注意的是并不是你这样选择了就可以得到最高的输出电压,这里还和电感的感量,以及UC3843A的反馈,MOS管的选取有关,我将在后需的文章中,再给大家逐一阐述。


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    1. 前言

    查看boost、buck的芯片文档时,对占空比的计算往往是一笔带过,对于buck电路的占空比计算直觉上来讲还是比较容易理解,boost电路来说就理解起来相对复杂一些,以下通过简单的公式计算说明占空比的计算公式是如何得到的。

    2. 占空比公式

    BUCK:
    D = V o u t V i n D= \frac{Vout} {Vin} D=VinVout
    BOOST:
    D = V o u t − V i n V o u t D =\frac{Vout - Vin}{Vout} D=VoutVoutVin

    3. BUCK电路占空比公式计算(忽略二极管压降)

    当开关管导通时电感上的电压为 V i n − V o u t Vin-Vout VinVout,根据公式 U = L ⋅ d i d t U = L\sdot\frac{di}{dt} U=Ldtdi
    V i n − V o u t = L ⋅ d i T o n Vin-Vout=\frac{ L \cdot di}{Ton}\\ VinVout=TonLdi
    当开关管关闭时电感上的电压为 V o u t Vout Vout,根据公式 U = L ⋅ d i d t U = L\sdot\frac{di}{dt} U=Ldtdi
    V o u t = L ⋅ d i T o f f Vout= \frac{L \cdot di}{Toff}\\ Vout=ToffLdi
    根据伏秒平衡原则开关导通和开关关闭流过的电流相等,整理一下得:
    T o n = L ⋅ d i V i n − V o u t Ton=\frac{L \cdot di}{Vin-Vout}\\ Ton=VinVoutLdi
    T o f f = L ⋅ d i V o u t Toff=\frac{L \cdot di}{Vout}\\ Toff=VoutLdi
    占空比D为
    D = T o n T o n + T o f f = L ⋅ d i V i n − V o u t L ⋅ d i V i n − V o u t + L ⋅ d i V o u t D=\frac{Ton}{Ton+Toff}=\frac{\frac{L \cdot di}{Vin-Vout}}{\frac{L \cdot di}{Vin-Vout} + \frac{L \cdot di}{Vout}} D=Ton+ToffTon=VinVoutLdi+VoutLdiVinVoutLdi
    约去 L ⋅ d i L\cdot di Ldi,整理可得到:
    D = 1 V i n − V o u t ⋅ V o u t ⋅ ( V i n − V o u t ) V i n − V o u t + V o u t D= {\frac{1}{Vin-Vout}}\cdot {\frac{Vout \cdot (Vin-Vout)} {Vin-Vout +Vout}} D=VinVout1VinVout+VoutVout(VinVout)
    约去 V i n − V o u t Vin-Vout VinVout得到:
    D = V o u t V i n D= \frac{Vout} {Vin} D=VinVout

    4. BOOST电路占空比计算(忽略二极管压降)

    当开关管导通时电感上的电压为 V i n Vin Vin,根据公式 U = L ⋅ ( d i / d t ) U = L\sdot(di/dt) U=L(di/dt)
    V i n = L ⋅ d i T o n Vin=\frac{ L \cdot di}{Ton}\\ Vin=TonLdi
    当开关管关闭时电感上的电压为 V o u t − V i n Vout - Vin VoutVin,根据公式 U = L ⋅ ( d i / d t ) U = L\sdot(di/dt) U=L(di/dt)
    V o u t − V i n = L ⋅ d i T o f f Vout - Vin= \frac{L \cdot di}{Toff}\\ VoutVin=ToffLdi
    根据伏秒平衡原则开关导通和开关关闭流过的电流相等,整理一下得:
    T o n = L ⋅ d i V i n Ton=\frac{L \cdot di}{Vin}\\ Ton=VinLdi
    T o f f = L ⋅ d i V o u t − V i n Toff=\frac{L \cdot di}{Vout-Vin}\\ Toff=VoutVinLdi
    占空比D为
    D = T o n T o n + T o f f = L ⋅ d i V i n L ⋅ d i V i n + L ⋅ d i V o u t − V i n D=\frac{Ton}{Ton+Toff}=\frac{\frac{L \cdot di}{Vin}}{\frac{L \cdot di}{Vin} + \frac{L \cdot di}{Vout-Vin}} D=Ton+ToffTon=VinLdi+VoutVinLdiVinLdi
    约去 L ⋅ d i L\cdot di Ldi,整理可得到:
    D = 1 V i n ⋅ V i n ⋅ ( V o u t − V i n ) V o u t − V i n + V i n D= {\frac{1}{Vin}}\cdot {\frac{Vin \cdot (Vout-Vin)} {Vout -Vin+Vin}} D=Vin1VoutVin+VinVin(VoutVin)
    约去 V i n Vin Vin得到:
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    电路就是最基本的boost电路,没有闭环反馈,所以这个电路不能应用在要求电压什么精确的电路,但是可以应用在升压较高几十到几百伏的情况下,比如应用在APD或者SPAD的反向高压,

    电路如下:

    第一个示波器测的是输出的纹波大小,第二个是输出直流电压的大小。

    加负载时的纹波:

    输出直流电压波形:

    由于我用的这个仿真工具输出的占空比我不知道怎么调,只能50%,所以输出电压为10V。

    输出电压的计算在我之前的文档上写过了,如下: D= ≈ (Vout-Vin)/Vout ,所以输出电压的大小主要与输入电压和占空比有关。

    软件中只需要设定PWM的频率和占空比,电感越大越好(没有反馈不考虑闭环回路的响应速度),开关频率也

    可以大一点,这样纹波也就越小,尤其是当电感感量较小的时候,开关频率必须要设大一点。我实际搭了一个

    电路,输出30v,电感选择10uH,我这时开关频率就要至少700k,如果频率太小输出会不稳定。

    实际测试的纹波如下:

    产生PWM的软件我用的是STM32F103C8T6,软件链接:链接:https://pan.baidu.com/s/1XqRprTyMGKnX9czKeWST3g 
    提取码:h86a 
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