一種實用地BOOST電路

1、一種實用的BOOS電路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。 考慮到 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?fù)浣Y(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

2、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1630V,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勺驅(qū)動；一個固定溫度補(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 脈沖限流控制的 PWM匕較器，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PW脈

3、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(jìn)行補(bǔ)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

4、，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1IIC3842控制的1)C/I)C升壓電路結(jié)構(gòu)Jl7UC38421J 11C( JOMPVrefsU *廣；7比ItSVoR r/Ci GNDMiDKi4Rho圖2UC3842控制的升壓DC/DC電路圖2中輸入電壓 Vi=1620V，

5、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(fù)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

6、電流在Rs上產(chǎn)生的電壓送至 PwS匕較器同相輸入端，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(fù)載達(dá)到10 %以上時，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)，因此，按CCMT作模式來進(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。開關(guān)管SiWBi電壓波形開關(guān)?fS電流波形電感電流波電整流WWD電流波形輸出電容Cz電流波陽圖3 Boost升壓電路基我波形ton時，開關(guān)管S為導(dǎo)通狀態(tài)，二極

7、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A f (久-K)心 /ton 二(1)Vi-Vs 。 ton時通過L的電流增加部分厶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0.60.9V。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）。 匕+殲一 K）加小A Aon 二 （

8、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）和可得u V. + 丹一匕因占空比即最大占空比 n _ 匕 + 16 _ % K - Vi曾二出+齊一必之如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即匕 X = V* X /（由式 和式 得電感器平均電流h1 -D同時由式（1）得電感器電流紋波(3)（4）（6）（遼嚴(yán)（7）式中：f為開關(guān)頻率。為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足hzNh/2（8）考慮到式 、式 和式（8），可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為2(%-認(rèn))D(i -。)

9、Z7(9)另外，由Boost升壓電路結(jié)構(gòu)可知,開關(guān)管電流峰值ls(max)=二極管電流峰值ld(max)=電感器電流峰值ILP，血P 二/Fg)+(血/2)(10)開關(guān)管耐壓 Km血二K + V(11)二極管反向耐壓 K = K - Va(12)3樣機(jī)電路設(shè)計樣機(jī)的電路圖如圖 2所示，是基于UC3842控制的升壓式 DQZDC變換器。電路的技術(shù)指標(biāo)為：輸入 Vi=18V，輸出Vo=40V lo=2A，頻率f衣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，對圖2的樣機(jī)電路設(shè)計與關(guān)鍵參數(shù)的選擇進(jìn)行具體的說明。3.1儲能電感L根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定最大占

10、空比。由式(4)得40 1840當(dāng)輸出最大負(fù)載時至少應(yīng)滿足電路工作在CCM莫式下，即必須滿足式(9),2x(18 弋 9)x055x(1555)2x49000= 86|iH同時考慮在10%額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況，實際設(shè)計時可以假設(shè)電路在額定輸出時，電感紋波電流為平均電流的20%30%，因增加厶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%為平衡點，即AA = 3O%x/)=3O%xI二 30%21-0. 55=L 33 A(13)由式(7)、式(13)可得(VV.)D(18-09)x(155w= 33 X49000 144 M流過電感L的峰值電流由式(10)得Zl

11、F = /jt(ave) + ( A /2 ) = 1 r15 xA1 -D=1. 15 x=5. 11 AL可選用電感量為140200卩H且通過5A以上電流不會飽和的電感器。電感的設(shè)計 包括磁芯材料、尺寸、型號選擇及繞組匝數(shù)計算、線徑選用等。電路工作時重要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對電感性能和溫升影響很大，材質(zhì)好的磁芯如環(huán)形鐵粉磁芯，承受峰值電流能力較強(qiáng)，EMI低。而選用線徑大的導(dǎo)線繞制電感，能有效降低電感的溫升。3.2輸出電壓取樣電阻 R1、R2因UC3842的腳2為誤差放大器反向輸入端，芯片內(nèi)正向輸入端為基準(zhǔn)2.5v，可知輸出電壓Vo=2.5(1+R1 / R2)，根據(jù)

12、輸出電壓可確定取樣電阻R1、R2的取值。由于儲能電感的作用，在開關(guān)管開啟和關(guān)閉時會形成大的尖峰電流，在檢測電阻Rs上產(chǎn)生一個尖峰脈沖，為防止造成 UC3842的誤動作，在 Rs取樣點到UC3842的腳3間加入 R、C濾波電路，R、C時間常數(shù)約等于電流尖峰的持續(xù)時間。3.3開關(guān)管S開關(guān)管的電流峰值由式(10)得lv(max)=ILP=5.11A開關(guān)管的耐壓由式(11)得Vds(off)=Vo+Vf=40+0.8=40.8VRds較小的按20%的余量，可選用6A/ 50V以上的開關(guān)管。為使溫升較低，應(yīng)選用皿0肝關(guān)管，要考慮的是通態(tài)電阻Rds會隨PN結(jié)溫度T1的升高而增大。圖4為實測開關(guān)管的開關(guān)電壓

13、波形和電流瞬態(tài)波形圖。Tek Run I O OMS $ Sarnpte(a)輕找0. 3 A時開關(guān)管漏扱電壓和流經(jīng)電流Tek Run 10 OMS s Sample(h)莖載L 5 A時開關(guān)管漏扱電壓和流經(jīng)電流ffl 4 實測幵關(guān)管漏極電壓舸流經(jīng)電流波形3.4輸出二極管D和輸出電容器 C2升壓電路中輸出二極管D必須承受和輸出電壓值相等的反向電壓，并傳導(dǎo)負(fù)載所需的最大電流。二極管的峰值電流ld(max)=ILP=5.11A，本電路可選用6A/50V以上的快恢復(fù)二極管，若采用正向壓降低的肖特基二極管，整個電路的效率將得到提高。輸出電容C2的選定取決于對輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)

14、電阻ESR有關(guān)，電容器的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的 ESR2 Vo/ IL=40x1 %/1.33=0.3 Q。另外，為滿足輸出紋波電壓相對值的要求，濾波電容量應(yīng)滿足= 561(14)V.CDT _402 xpt551KZ = 40 x 1% x 2 x 49(W0根據(jù)計算出的ESR值和容量值選擇電容器，由于低溫時ESR直增大，故應(yīng)按低溫下的ESR來選擇電容，因此，選用560卩F/50V以上頻率特性好的電解電容可滿足要求。3.5外補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)UC3842誤差放大器的輸出端腳 I與反相輸入端腳2之間外接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) Rf、Cf。 Rf、 Cf的取值取決于 UC3842環(huán)路電壓增益、額定輸

15、出電流和輸出電容，通過改變Rf、Cf的值可改變放大器閉環(huán)增益和頻響。為使環(huán)路得到最佳補(bǔ)償，可測試環(huán)路的穩(wěn)定度，測量Io脈動時輸出電壓 Vo的瞬態(tài)響應(yīng)來加以判斷。圖5為Cf選用0.0l卩F和470pF時動態(tài)響應(yīng)控制波形的區(qū)別，上沖下降幅度和復(fù)位時間都有差別。lek Run 500S s 陰叩怔18 25 44(u) 匕取0.pF時揄出電壓動態(tài)響應(yīng)Run:5lX)S s Sanipk(b) 取470 pF時輸出電壓動態(tài)響應(yīng)圖5 G選用不同值時的輸出電壓動態(tài)響應(yīng)3.6斜坡補(bǔ)償在實用電路中，增加斜坡補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，一般有二種方法，一是從斜坡端腳4接補(bǔ)償網(wǎng)UC3842工絡(luò)Rx、Cx至誤差放大器反相輸入端腳 2,使誤差放大器輸出為斜坡狀，再與 Rs上感應(yīng)的電 壓比較。二是從斜坡端腳 4接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Rx、Cx到電流感應(yīng)端腳3,將在Rs的感應(yīng)電壓上增 加斜坡的斜率，再與平滑的誤差電壓進(jìn)行比較，作用是防止諧波振蕩現(xiàn)象，避免作不穩(wěn)定，同時改善電流型控制開關(guān)電壓的噪聲特性。本文采用方法二。3.7 保護(hù)電路當(dāng)UC3842的腳3電壓升高超過1V或腳1電壓降到1V以下，都可使PWM匕較器輸出 高電平，造成PWM鎖存器復(fù)位。根據(jù) UC384