BOOST电路设计

1电路模型

2器件选型

2.1设计需求

2.2参数计算

2.2.1电感L计算

2.2.2电容计算

2.2.3电阻计算

3仿真测试

4参数测试

4.1负载调整率

4.2电容测试

4.3电感测试

5实际应用

1电路模型

Boost升压电路,可以工作在电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式(CCM)。CCM工作模式适合大功率输出电路,考虑到负载达到lO％以上时,电感电流需保持连续状态,因此,按CCM工作模式来进行特性分析。
　　Boost拓扑结构升压电路基本波形如图3所示。

　　ton时,开关管S为导通状态,二极管D处于截止状态,流经电感L和开关管的电流逐渐增大,电感L两端的电压为Vi,考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降Vs,即为Vi-Vs。ton时通过L的电流增加部分△ILon满足式(1)。

　　
式中：Vs为开关管导通时的压降和电流取样电阻Rs上的压降之和,约0.6~0.9V。
　　toff时,开关管S截止,二极管D处于导通状态,储存在电感L中的能量提供给输出,流经电感L和二极管D的电流处于减少状态,设二极管D的正向电压为Vf,toff时,电感L两端的电压为Vo+Vf-Vi,电流的减少部分△ILoff满足式(2)。

　　
式中：Vf为整流二极管正向压降,快恢复二极管约0.8V,肖特基二极管约0.5V。
　　在电路稳定状态下,即从电流连续后到最大输出时,△ILon=△ILoFf,由式(1)和(2)可得

如果忽略电感损耗,电感输入功率等于输出功率,即

　　
由式(4)和式(5)得电感器平均电流
　　

同时由式(1)得电感器电流纹波

　　
式中：f为开关频率。
　　为保证电流连续,电感电流应满足

　　
考虑到式(6)、式(7)和式(8),可得到满足电流连续情况下的电感值为

　　
　　另外,由Boost升压电路结构可知,开关管电流峰值Is(max)=二极管电流峰值Id(max)=电感器电流峰值ILP,

2器件选型

2.1设计需求

按需求进行设计，此次设计实现输入VI=20V,VO=35V,IO=1A。

2.2参数计算

2.2.1电感L计算

　根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4)得

图片仅为参考，实际计算：D=35-20/35=0.43
　　当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下,即必须满足式(9),

f取49KHZ，周期为2us左右。（电感电容放电时间基本在us级别，所以取KHZ高频）

图片仅为参考，实际计算：L>=191uH

2.2.2电容计算

升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压,并传导负载所需的最大电流。二极管的峰值电流Id(max)=ILP=5.11A,本电路可选用6A／50V以上的快恢复二极管,若采用正向压降低的肖特基二极管,整个电路的效率将得到提高。
　　输出电容C2的选定取决于对输出纹波电压的要求,纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关,电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。
　　电容的ESR<△Vo/△IL=40x1％/1.33=O.3Ω。
　　另外,为满足输出纹波电压相对值的要求,滤波电容量应满足

　　根据计算出的ESR值和容量值选择电容器,由于低温时ESR值增大,故应按低温下的ESR来选择电容,因此,选用560μF／50V以上频率特性好的电解电容可满足要求。

2.2.3电阻计算

电阻模拟负载，目的是输出1A，此次采用35Ω电阻。

3仿真测试

由于设计二极管与mos管压降，所以占空比计算要调整，采用48%占空比，仿真如下：

输出1A，35V。

4参数测试

4.1负载调整率

当输出2A电流：35/2=17Ω，仿真如下

输出2A，电压在33V左右。

调整占空比到50%，电压勉强稳定在35V.

4.2电容测试

电容太大太小均不行，太大，前面电压抬高时间周期会很长，太小输出电压不稳定。

电容决定了输出电流与电压是否能稳定，选用470uF时,输出很稳定。

如果采用小电容，即充电还未开始时，电容已经放电结束，计算放电时间

　　RC电路的时间常数：τ=RC
　　　充电时，uc=U×[1-e^(-t/τ)]　　U是电源电压
　　　放电时，uc=Uo×e^(-t/τ)　　　 Uo是放电前电容上电压
　　RL电路的时间常数：τ=L/R
　　　LC电路接直流，i=Io[1-e^(-t/τ)]　　Io是最终稳定电流
　　　LC电路的短路，i=Io×e^(-t/τ)]　　 Io是短路前L中电流

这里只关心T，RC电路中，C=470UF,R=35Ω，T=16ms左右，放电时间一般都在5T左右，所以放电时间很长。

电感充电时间：RL电路中，L=191uH，R=35Ω，T=5us左右。

由上公式可以看出，boost电路工作原理其实是在单位时间内，电感快速充电，而放电时间远小于工作周期，放电时由于输出电阻的原因，电流不能突变是固定的，所以会得到一个很大的电压U=IR，再加上电源电压U，一起给后端电容充电。这也是为什么取频率为49Khz，频率越高，电源更稳定。如果采用1KHZ，充电还未结束，放电就放完了。

先将C缩小1000倍，470pf，测试如下：