BOOST电路手册笔记

BOOST电路手册笔记

1.1概述

BOOST电路：theboostconverter,或者叫step-upconverter,

是一种开关直流升压电路，它可以使输出电压比输入电压高。

在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计，对于较大的功

率输出，如70W以上的DC/DC升压电路，由于专用升压芯片

内部开关管的限制，难于做到大功率升压变换，而且芯片的价格

昂贵，在实际应用时受到很大限制。考虑到Boost升压结构外接

开关管选择余地很大，选择合适的控制芯片，便可设计出大功输

出的DC/DC升压电路。

1.2BOOST电路的基本工作方式

1.2.1BOOST电路的基本框图,如图1.1

图1.1

1.2.2BOOST电路的基本工作方式

如图1.1,采用恒频控制方式，占空比可调,Q导通时间为

TONOMOSFETQ导通时为电感充电过程，MOSFETQ关断时，

为电感放电过程。

①MOSFETQ导通时，等效模型如图1.2o输入电压Vdc流

过电感L。二极管D防止电容C对地放电。由于输入是直流电,

所以电感L上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大

小有关。随着电感电流漕加，电感里储存了一些能量。

图1.2

②MOSFETQ关断时，等效模型如图1.3。由于电感L的电

流不能突变的特性，流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢

由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能

通过新电路放电，即电感L开始给电容C充电，电容两端电压

升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。

r—----►———r~^

图1.3

123BOOST电路的波形分析，如图1.3

注：L大于0,BOOST电路工作于连续模式，I.等于0,

BOOST电路工作于不连续模式。BOOST调整器最好作于不连续

模式。

MOSFETQ导通时，VD点接地，(假设MOSFET导通，

压降为0)电压为0V,因为输入电压恒定VA,所以电感两端承受

的电压为(Vdc-0)=Vdc为一个恒定值，因此流经电感的电流线性上

升，其斜率为AI/4=vdc〃,L为电感量，此时电感内部的电流变

化如图1.4(e)所示的上升斜坡，而MOSFET内部的电流如图

1.4(c)所示。

MOSFETQ关断时，由于电感电流不能突变的特性，电感

两端的电压极性颠倒，看作一个电源，和输入电压VA极性一致,

这样，电路相当于两个电源串联，流经二极管D,给电容C充电。

因为两个串联电源的总电压必然高于其中一个电源输入电

压Vdc高，以此输出电压便会升高，且高于输入电压VA。

二极管的电流变化如图L4(d),电感电流的变化如图1.4

(e)

图1.3

1.2.4BOOST电路的三种工作模式:连续工作模式，临界工作

模式和不连续工作模式。

BOOST电路的工作模式取决于BOOST电路中电感的工

作模式，体现为电感电流II的变化。如图（a）、（b）、（c）。

v

图（a）连续工作模式

图（b）临界工作模式

图（c）不连续工作模式

图（a）电感II电流从上一个周期的关断状态进入下一个周

期的导通时，电感电流并未下降为0V,为连续工作模式；

图（b）电感II电流从上一个周期的关断状态进入下一个周

期的导通时，电感电流哈好下降为0V,为临界工作模式；

图（c）电感II电流从上一个周期的关断状态进入下一个周

期的导通之前，电感电流已经下降为0V,为不连续工作模式。

1.3BOOST电路的仿真测试

1.3.1BOOST电路的仿真测试（使用软件PSIM）

①BOOST电路（连续工作模式）的仿真测试

1、BOOST电路（连续工作模式）仿真原理图如图1.5

图1.5

2、BOOST（连续工作模式）仿真电路波形如图1.6

图1.6

②BOOST电路（临界工作模式）的仿真测试

1、BOOST电路（临界工作模式）原理图如图1.7

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图1.7

2、BOOST电路（临界工作模式）波形如图L8

|5->10三仁小Xrmm

Ready

图1.8

③BOOST电路（不连续工作模式）的仿真测试

1、BOOST电路（不连续工作模式）仿真原理图如图1.9

3PSIM-(CAUsers\8t&Bl£\De$ktop\BOO$T4»irmch-)-

ISdEdhVUwSubdrcuhEkwwtsSimul"OptiomVrtftdowhWpx

□修0・1〃x|01MH/QI诋aiaalDlA|Q“illK

图1.9

\T->V4JtAZUV?XmaixiIpSno

fU峙

图1.10

1.4BOOST电路（不连续模式）的实物设计

1.4.1设计要点：

1、变压器电感的计算；

2、MOSFET的选取；

3、二极管的选取；

4、输出电容的选取；

5、PWM波的发生和电流放大电路；

6、反馈闭环的设计。

1.4.2参数具体计算

输入电压VA,输出电压匕，最大输出功率P（或者负载最大

电流/„）,恒频模式f,纹波电压V”已知。

1、变压器电感的计算；

由前面分析，已知BOOST电路要工作于不连续模式，必须

在一个周期结束前电感电流%减小到0,可是设计电路时为了避

免负载的波动进入连续模式，我们一般提前20%T的时间让电感

电流%减小到0.如图1.11,均有20%的死区裕度。死区时间为骁

(deadtime)

图1.11

当MOSFET导通时，电感的电流线性上升，其斜率为

AI/4=Vdc/L,L为电感量，单位为H。W/c•单位V,AZ单位A

峰值为A/二苧心(1.1)

电感储能为E=(1.2)

既然在一个周期结束前电感电流IQ减小到0,一个周期内那

么电感将储存的所有能量都供给了负载，那么电感传输的能量为

电感的功率=E=1L*AZ2*1(1.3)

当MOSFET关断时，由图1.3等效模型可知，在关断期

间(7-心)，输入电压VA流经电感L和二极管D,以同样的电

流及(等于电感电流的有效值)给负载提供能量，

根据等面积法，电感电流的有效值为(有20%的死区裕度)

2008

/£,皿*=1—%^」*“^^(1.4)

2T-TON2T-TON

电(1.5)

那么输送到负载的总功率为尸=电,+2

化简得：?=0.4*%*T°N(1.6)

L

又因为小=用竺*o.8r(留有20%的死区裕度)(1.7)

Vo

因为P,Vdc,Vo,T(f)已知，所以电感值为

Ydc~

L=0.^—(1.8)

2、MOSFET的选取；

主要参数：(1)最大漏极源极电压(Drain-SourceVoltage)

(2)连续漏极电流(ContinuousDrainCurrent)

(3)导通内阻RDS{0N)(StaticDrain-SourceOn-State

Resistance)尽可能小，减少损耗。

(1)最大漏极源极电压由BOOST电路的输出电压外决定的；

(2)连续漏极电流由MOSFET的工作峰值电流决定。由式(1.1)

可知△/=苧G

(3)导通内阻时s(g是取决于选取的MOSFET本身，与BOOST

电路无关，可以通过查找芯片手册datasheet中的％“叫。

3、二极管的选取;

主要参数:(1)反向重复峰值电压Vrrm(Repetitivepeakreverse

voltage)；

(2)最大整流电流(平均值)/。(Maximumaverage

forwardrectifiedcurrent)

(3)反向恢复时间TIT(ReverseRecoveryTime)

(1)反向重复峰值电压Vrrm由BOOST电路的输出电压

历决定的；

(2)最大整流电流(平均值)由续流二极管的工作峰

值电流决定，由图1.4(c)(d)可知，续流二极管的峰值电流

和MOSFET的工作峰值电流一致，计算方法一致，为△1苧分

(3)反向恢复时间Trr由续流二极管的工作频率f决定。

4、输出电容的选取；

主要参数：(1)耐压值；(2)容值。

(1)耐压值由BOOST电路的输出电压历决定的；

(2)容值根据设计要求的纹波电压07•来确定。原理在BUCK

中已详细分析。由式(1.1)可知△/=苧小，再根据式(1.9)、

(1.10)就可以计算出电解电容的C。

R0=也(1.9)

°A7

再由q二竿小(1.10)

5、波的发生和电流放大电路以及反馈闭环的电路，比较繁多,

可以通过硬件和软件来实现，请参考BUCK电路，不再详述。

1.4.3设计：输入电压Vdc=12V,设定输入频率f=25KHz,输出电

压Vo=48V,额定负载电流ION=2A,工作于不连续工作模式下,

且要求负载为10%额定负载时，纹波电压小于250mV。

解：

1、变压器电感的计算；

P=Vo^ION=96W

由式(1.7)"=*08T得三=2.4*10%

Vo

由式(1.8)L=0.4*—^TON得L=14.4〃H

2、MOSFET的选取；

MOSFET的工作峰值电流由式（1.1）M-T

LON

可得AZ=20A,

输出电压V0=48V,

因此选择MOSFET管75NF75,

MOSFET管75NF75参数：最大漏极源极电压为

75V>V0=48V

连续漏极电流为80A>20A,

75NF75MOSFET的内阻即“由=95”。,因此功耗非常小。

3、二极管的选取;

续流二极管的工作峰值电流和MOSFET的工作峰值电流一

致，得：A/=20Ao

反向重复峰值电压Vrrm由BOOST电路的输出电压%决定

的输出电压V0=48V,

开关频率为f=25KHz.

因此选取两个MBR20100肖特基二极管并联。

MBR20100肖特基二极管参数:最大整流电流（平均值）I。为

20A,2*20A=40A>AZ=20A