Boost升壓電路原理及設計詳解

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2022-03-31 02:15:42 14

Boost電路是一種開關直流升壓電路，它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設計當中算是一種較為常見的電路設計方式。本文將給大家介紹boost基本原理、電路參數設計。

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1Boost開關升壓電路的原理圖

假定那個開關(三極管或者MOS管)已經斷開了很長時間，所有的元件都處于理想狀態，電容電壓等于輸入電壓。

下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。

充電過程

在充電過程中，開關閉合(三極管導通)，等效電路如圖2，開關(三極管)處用導線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。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，這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。

放電過程

如圖3這是當開關斷開（三極管截止）時的等效電路。當開關斷開（三極管截止）時，由于電感的電流保持特性，流經電感的電流不會馬上變為0，而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經高于輸入電壓了，升壓完畢。

說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續的電流。如果這個通斷的過程不斷重復，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

boost電路升壓過程

下面是一些補充：

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

電感不能用磁體太小的(無法存應有的能量)，線徑太細的(脈沖電流大，會有線損大)。

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

開關管，關鍵在這兒了，放大量要足夠進飽和，導通壓降一定要小，是成功的關鍵。總共才一伏，管子上耗多了就沒電出來了，因些管壓降應選最大電流時不超過0.2--0.3V，單只做不到就多只并聯。

最大電流有多大呢？簡單點就算1A吧，其實不止。由于效率低會超過1.5A，這是平均值，半周供電時為3A，實際電流波形為0至6A。所以建議要用兩只號稱5A實際3A的管子并起來才能勉強對付。

現成的芯片都沒有集成上述那么大電流的管子，所以建議用土電路就夠對付洋電路了。

這些補充內容是教科書本上沒有的知識，但是能夠與教科書本上的內容進行對照并印證。

開關管導通時，電源經由電感-開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管-負載形成回路，完成升壓功能。既然如此，提高轉換效率就要從三個方面著手：盡可能降低開關管導通時回路的阻抗，使電能盡可能多的轉化為磁能；盡可能降低負載回路的阻抗，使磁能盡可能多的轉化為電能，同時回路的損耗最低；盡可能降低控制電路的消耗，因為對于轉換來說，控制電路的消耗某種意義上是浪費掉的，不能轉化為負載上的能量。

Boost電路參數的設計

對于Boost電路，電感電流連續模式與電感電流非連續模式有很大的不同，非連續模式輸出電壓與輸入電壓，電感，負載電阻，占空比還有開關頻率都有關系。而連續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

在開關電源中，輸出電容的作用是存儲能量，維持一個恒定的電壓。

Boost電路的電容選擇主要是控制輸出的紋波在指標規定的范圍內。

對于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，即等效串聯電感(ESL)，等效串聯電阻(ESR)和電容值(C)。

在電感電流連續模式中，電容的大小取決于輸出電流、開關頻率和期望的輸出紋波。在MOSFET開通時，輸出濾波電容提供整個負載電流。

電感

在開關電源中，電感的作用是存儲能量。

電感的作用是維持一個恒定的電流，或者說，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限制流過它的紋波電流。

電感的紋波電流正比于輸入電壓和MOSFET開通時間，反比于電感量。電感量的大小決定了連續模式和非連續模式的工作點。

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

電感電流超過了其額定電流或者工作頻率超過了其最大工作頻率，都會導致電感飽和及過熱。

MOSFET

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

設計中選取MOSFET主要考慮到它的導通損耗和開關損耗。

要求MOSFET要有足夠低的導通電阻RDS(ON)和比較低的柵極電荷Qg。

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