Boost电路的简单设计Boost电路原理图如下所示
当MOSFET导通时,电源对电感L充电,电感L储存能量并对电容器放电。电感中的电流增加量(当电感线圈未饱和时)为:
其中:D为占空比,T为开关周期。
当MOSFET 关断时,电感器放电,电感器中的能量通过二极管转移到负载。电感上的电流继续减小,忽略二极管的压降,电流变化为:
当电感电流处于连续模式时,稳态条件下,电感上电流的增加量等于其电流的减少量,即
所以我们可以得到:
因为0
在电感电流断续模式下,当MOSFET导通时,电感电流的增量为:
当MOSFET 关断时,电感电流下降为:
电感电流的上升值等于下降值,即
组织:
由于在此模式下电感电流是不连续的,因此每个周期电感电流都会降至零。输出电流等于电感电流的平均值,即
由此可见,对于Boost电路来说,电感电流连续模式和电感电流断续模式有很大不同。断续模式输出电压与输入电压、电感、负载电阻、占空比和开关频率有关。连续模式输出电压的大小仅取决于输入电压和占空比。
输出滤波电容的选择
在开关电源中,输出电容的作用是储存能量并保持电压恒定。 Boost电路的电容选择主要是为了将输出纹波控制在指标规定的范围内。对于Boost电路来说,电容的阻抗和输出电流决定了输出电压纹波的大小。电容器的阻抗由三部分组成,即等效串联电感(ESL)、等效串联电阻(ESR)和电容值(C)。
在电感电流连续模式下,电容器的大小取决于输出电流、开关频率和所需的输出纹波。当MOSFET 导通时,输出滤波电容器提供全部负载电流。在Boost电路中,为了满足所需的输出纹波电压,电容值可以选择如下:
其中:Iomax为较大的输出电流;
Dmax 是较大的占空比
对于电感电流不连续模式,电容为
在实际设计中,由于电容器的ESR,为了保证较小的纹波电压,必须选择电容量较大的电容器。
在电感电流连续模式下,假设电容值足够大,可以忽略不计。必须有足够小的ESR来限制输出电压纹波。
在电感电流不连续模式下:
纹波电流会在电容器的ESR中造成功率损耗,而这种损耗会增加电容器内部的温度。温升过高会大大缩短电容器的使用寿命。电容器在不同的环境温度下具有额定纹波电流。通过电容器的电流不能超过其额定值。通过输出电容器的电流的有效值为
ESL 的大小可以通过选择低ESL 电容器、限制引线(PCB 和电容器)的长度以及并联使用多个小电容器来控制。
低阻抗电容器有铝电容器、有机半导体电容器和固体钽电容器三种类型,适用于一般低成本商业领域。低阻抗铝电解电容器成本低廉,可以在更小的封装中提供更大的容量。但其ESR比较大。有机半导体电解电容器越来越多地应用于工业电源中。它可以提供更小的ESR和更大的容量。固体钽电容器可以提供较低的ESR和ESL以及相对较大的容量。是开关电源的理想选择。
在开关电源中,电感的作用是储存能量。电感器的作用是保持电流恒定,或者换句话说,限制电感器中电流的变化。
在Boost电路中,通常选择合适的电感来限制流过其的纹波电流。电感的纹波电流与输入电压和MOSFET导通时间成正比,与电感成反比。电感的大小决定了连续模式和不连续模式的工作点。
除了电感器的电感量外,选择电感器时还应注意其较大的直流或峰值电流以及较大的工作频率。如果电感电流超过其额定电流或工作频率超过其最大工作频率,就会导致电感饱和、过热。
磁性器件制造商提供许多可用于DC/DC 转换器的电感器。开关电源中最常用的磁芯是铁氧体和电工铁芯。
由于电感绕组存在直流电阻,电流通过时会产生电感铜损。同时,电感器的交变电流会引起磁通量交变,产生磁损耗。功率损耗会导致电感温度升高,温升过高会降低导线的绝缘性。
在Boost电路中,电感的损耗可以通过以下公式计算
其中:Rcu为线绕电阻;
Pcore是磁损耗,可以在磁芯制造商的数据表中找到。
在小功率DC/DC变换中,功率MOSFET是最常用的功率开关。 MOSFET的成本比较低,工作频率比较高。设计中选择MOSFET的主要考虑因素是其传导损耗和开关损耗。 MOSFET 需要具有足够低的导通电阻RDS(ON) 和相对较低的栅极电荷Qg。
MOSFET 消耗的功率可以通过以下公式计算
选择续流二极管的重要标准是:开通速度、击穿电压、额定电流和正向电压。在开关电源中,通常选用正向导通电压较低的肖特基二极管。
续流二极管损耗计算:
标题:Boost电路的简单设计
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