Boost升壓電路原理

0 引言

在實際應(yīng)用中經(jīng)常會涉及到升壓電路的設(shè)計，對于較大的功率輸出，如70W以上的DC/DC升壓電路，由于專用升壓芯片內(nèi)部開關(guān)管的限制，難于做到大功率升壓變換，而且芯片的價格昂貴，在實際應(yīng)用時受到很大限制?？紤]到Boost升壓結(jié)構(gòu)外接開關(guān)管選擇余地很大，選擇合適的控制芯片，便可設(shè)計出大功率輸出的DC/DC升壓電路。

UC3S42是一種電流型脈寬調(diào)制電源芯片，價格低廉，廣泛應(yīng)用于電子信息設(shè)備的電源電路設(shè)計，常用作隔離回掃式開關(guān)電源的控制電路，根據(jù)UC3842的功能特點，結(jié)合Boost拓撲結(jié)構(gòu)，完全可設(shè)計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現(xiàn)的功能。

1 UC3842芯片的特點

UC3842工作電壓為16~30V，工作電流約15mA。芯片內(nèi)有一個頻率可設(shè)置的振蕩器;一個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;一個固定溫度補償?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脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達100%。另外，具有內(nèi)部保護功能，如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區(qū)時間等。

由UC3842設(shè)計的DC/DC升壓電路屬于電流型控制，電路中直接用誤差信號控制電感峰值電流，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)電流型控制檢測電感電流和開關(guān)電流，并在逐個脈沖的基礎(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)簡化了限流電路，在保證電源工作可靠性的同時，電流限制使電感和開關(guān)管更有效地工作;

4)電流型控制電路中需要對電感電流的斜坡進行補償，因為，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償技術(shù)實現(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拓撲結(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。開關(guān)管以UC3842設(shè)定的頻率周期開閉，使電感L儲存能量并釋放能量。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電感以Vi/L的速度充電，把能量儲存在L中。當(dāng)開關(guān)截止時，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過二極管D把儲存的電能以(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控制，而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來控制。

整個穩(wěn)壓過程由二個閉環(huán)來控制，即

閉環(huán)1 輸出電壓通過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載變化造成的輸出電壓的變化。

閉環(huán)2 Rs為開關(guān)管源極到公共端間的電流檢測電阻，開關(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。誤差信號實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，考慮到負載達到lO%以上時，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)，因此，按CCM工作模式來進行特性分析。

Boost拓撲結(jié)構(gòu)升壓電路基本波形如圖3所示。

ton時，開關(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和開關(guān)管的電流逐漸增大，電感L兩端的電壓為Vi，考慮到開關(guān)管S漏極對公共端的導(dǎo)通壓降Vs，即為Vi-Vs。ton時通過L的電流增加部分△ILon滿足式(1)。

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

toff時，開關(guān)管S截止，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲存在電感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，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，△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

同時由式(1)得電感器電流紋波

式中：f為開關(guān)頻率。