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RuiKong扬州瑞控汽车电子有限公司Boost升压变换器原理及设计BuckBoostFlybackBuck-BoostForwardTwoswitchforwardFullBridgeHalfBridgePull-PushVinCinCoutGND开关管负载电路结构开关电源最基本的三种拓扑BUCK、BOOST、BUCK-BOOST就是对三种器件的连接方式进行不同的组合。开关管在Ton时间内导通,二极管反向截止,电感电流线性上升;开关管在Toff时间内关断,二极管正向导通,电感电流线性下降。对电感工作的理解最为关键Ton阶段,开关管导通,电感电流线性上升,斜率为电感电流变化量Δi=,其中Vsw为开关管压降。输出电容为负载提供能量。Ton阶段VinVswL×onVinVswTLVinCinCoutGND导通负载工作原理Toff阶段,开关管关断,电感电流线性下降,斜率为电感电流变化量Δi=,其中Vd为二极管压降。电感电流为负载提供能量,同时补充输出电容在Ton阶段输出的能量。Toff阶段dVoVVinLd×offVoVVinTLVinCinCout关断负载工作原理电感电流在Ton时间内上升值等于Toff时间内下降值,都为Δi。=,T=Ton+Toff,Ton/T=D。(Vin-Vsw)×Ton=(Vo+Vd-Vin)×Toff,即伏秒积相同。电感电流连续模式下的电感、开关管及二极管电流d×offVoVVinTL×onVinVswTLTonToff开关管二极管电感电流开关管二极管开关管二极管TonToffTonToffILΔi/2Δi/2工作原理Boost电路输入电压、输出电压与占空比关系:D=如果忽略开关管及二极管压降,输入输出电压关系为:Vo=输出电流全部流过二极管,则二极管平均电流ID=IO=IL×(1-D)ID为二极管平均电流,IO为输出平均电流,IL为电感平均电流。dodswVoVVinVVV1in1VDTonToff开关管二极管电感电流开关管二极管开关管二极管TonToffTonToffILΔi/2Δi/2工作原理器件选型工作条件首先考虑电感磁芯的最“恶劣”工作条件,以满电感电流不至于饱和。Boost电路电感电流连续,电感峰值电流IL_PK=×(1+)其中电流纹波率r=,即Δi=r×IL,r一般取0.3~0.4。Δi随着占空比(输入电压)的变化:Δi=当D<0.5时,Δi随D增大(输入电压降低)而增大;当D>0.5时,Δi随D增大(输入电压降低)而减小;电感峰值电流IL_PK在最小输入电压VIN_MIN(DMAX)下最大,在此条件下设计Boost电路。最“恶劣”工作条件的确定2××D-DVoTL()o1-IDr2iLIΔ绘制函数曲线得出×onVinVswTL×DVinTL器件选型负载电流与平均电感电流关系IO=IL×(1-D)IL=电感电流峰值为IL_PK=IL+Δi/2TonToff开关管二极管电感电流开关管二极管开关管二极管TonToffTonToffILΔi电感o1-ID小功率电源使用类型Vo=,则D=in_min1VDoin_minoVVVΔi==,其中Fs为开关管工作频率。in_min×onVTLin_min1××sVDLFL=Lin_min1oin_min××rIsoVVVFV电感峰值电流IL_PK=IL+Δi/2=(1+r/2)×IL电感电流选择一般大于IL_PK的1.2倍。器件选型电感容量越大,装的越多!器件选型二极管二极管类型频率在几百KHz范围内,选择肖特基二极管。二极管电压在Ton阶段,二极管承受最大反向电压,其值为Vo。二极管耐压至少选择Vo的1.2倍。如果二极管两端有尖峰,需要根据实际情况进行调整。二极管电流二极管的平均电流ID_AVG=Io二极管额定电流至少选择Io的2倍以上,电流较大的需要注意散热处理,可以适当选择较大的封装,以获得较低的“温度-环境”热阻θJA。器件选型开关管开关管耐压开关管承受的最大电压为VO+VD,如果忽略VD,即为VO。耐压值至少选择Vo的1.2倍,如果DS两端有尖峰,需要根据实际情况进行调整。开关管电流开关管通过的电流有效值IRMS=IL×开关管的电流至少选择IRMS的2倍以上,电流较大的需要注意散热处理,可以适当选择较大的封装,以获得较低的“温度-环境”热阻θJA。2×(1+)12rDIds器件选型输入电容ESR在最低输入电压,输出由空载跳变为满载时计算。ESR=其中,Δvin为输出电压纹波,一般取输入电压±5%以内。电容容值Cin=其中,Ls为输入电源的感抗、Rs为输入电源的阻抗。电容电流有效值Icin_rms=0.29×Δi额定纹波率等于或大于电容电流有效值。1in2oDVI()Δ22LsVoIoVinRs器件选型输出电容输出电容电压输出电容电压选择输出额定电压的1.2~1.5倍。输出电容流过的电流峰峰值为IL_PK由输出滤波电容ESR引起的纹波为:ΔV1=IL_PK×ESR在Ton期间,负载电流全部由输出电容提供,由此引起的纹波电流为:ΔV2=由电感脉动电流在ESR产生:ΔV3=Δi×ESRΔV=ΔV1+ΔV2-ΔV3电容通过的电流有效值IRMS=1.13×IL×额定纹波率等于或大于电容电流有效值。输出滤波电容对环路稳定有影响,适当的增大有助于环路稳定。ooswIDCF1DD()设计实例输入输出参数输入电压:9~16V输出电压:18V输出电流:0.5A工作温度:-40~85℃输出电压纹波:±2%输入电压纹波:±2%开关频率:500KHz在输入电压等于9V时进行计算,此时D==0.518V-9V18V器件选型负载电流与平均电感电流关系IO=IL×(1-D)IL==1A设r=0.3,Δi=r×IL=0.3AL===30uH电感电流峰值为IL_PK=IL+Δi/2=1.3A1.2IL_PK=1.56A选择33uH,2A的成品电感。r=0.27,Δi=r×IL=0.27A,IL_PK=1.27A电感o1-IDLin_min1oin_min××rIsoVVVFV91189××0.31A500kz9VVVHV器件选型二极管二极管类型选择肖特基二极管。二极管电压在Ton阶段,二极管承受最大反向电压,其值为Vo。二极管耐压至少选择Vo的1.2倍。如果二极管两端有尖峰,需要根据实际情况进行调整。选择二极管耐压为30V。二极管电流二极管的平均电流ID_AVG=Io=0.5A二极管额定电流至少选择Io的2倍以上,考虑散热处理,选择电流为2A。二极管型号CMSH2-40M。器件选型开关管开关管耐压开关管承受的最大电压为VO+VD,如果忽略VD,即为VO。耐压值至少选择Vo的1.2倍,如果DS两端有尖峰,需要根据实际情况进行调整。耐压选择30V。开关管电流开关管通过的电流有效值IRMS=IL×=0.9A开关管的电流至少选择IRMS的2倍以上,考虑到热处理,选择较大封装。采用SO-8封装。2×(1+)12rD器件选型输入电容电容额定电压考虑TVS的钳位电压,选择额定电压为50V。ESR在最低输入电压,输出由空载跳变为满载时计算。ESR===0.18Ω电容容值Cin===2.22uF其中,Ls取1uH、Rs取0.1Ω。电容电流有效值Icin_rms=0.29×Δi=0.087A选择两颗50V/2.2uF的MLCC并联。1in2oDVI()Δ221u180.590.1HVAV10.50.3620.5VA()22LsVoIoVinRs器件选型输出电容输出电容电压输出电容电压选择输出额定电压的1.2~1.5倍,选择25V。输出纹波峰峰值为ΔV=0.72V在Ton期间,负载电流全部由输出电容提供,由此引起的纹波电流为ΔVP-P=,Co==0.69uF考虑到电容精度、裕量及输出负载瞬态变化,选择2颗2.2uF的MLCC并联。MLCC的典型ESR为3mΩ。ooswIDCFoVswIDF器件选型输出电容由输出滤波电容ESR引起的纹波为ΔV1=IL_PK×ESR=0.00195VΔV2===0.1136VΔV3=Δi×ESR=0.004VΔV1+ΔV2-ΔV3=0.108电容通过的电流有效值IRMS=1.13×IL×=0.565A1DD()ooswIDCF0.50.54.4u500kzAFH9330ufQV=4A50S10V()693V330104A50S10110V()由上可知,18V电压降低很小,在激光发射器瞬间耗费4A的电流时。
本文标题:Boost升压电路
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