對于boost升壓電路來說,我們在實際應用中還是比較多的,例如我們産品是锂電池供電,但是我們需要驅動一個12V的風扇,我們就需要将锂電池電壓升壓到12V給風扇供電;
我們先看下拓撲結構:
原理:
- 充能階段
将開關S1閉合,Vin通過電感L1,通過S1到地,此過程為電感充電,我們知道電感是個儲能元件,圖示如下:
此時我們能夠得出充能階段電感兩端電壓Uc = Vin
我們知道電感公式U = L*di/dt,即Vin = L*di/Ton,這裡Ton代表充能時間;
這裡可能有人會有疑問,這個Vin直接到地不是短路了麼,這樣電路就會容易發生故障,我們解釋下:第一電感的特性是阻礙電流的變化,即電感兩端電流不能突變,是以充能階段,電流是逐漸上升的;第二是S1開關不是一直閉合的,一直閉合的話電感充能到達某個階段也會燒毀;S1的閉合時間是根據負載變化的,即電感上電流上升到某個時候再釋放本身能量;
這裡就涉及到電感器件的參數:額定電流和飽和電流
額定電流是持續工作的最大電流,飽和電流是電感内部達到磁飽和的最大電流,怎麼了解咧?就是通過電感的最大電流不能超過電感的飽和電流
如果超過磁飽和電流,電感感值會下降,阻礙電流能力下降,通過電感電流會直線上升,導緻電感損壞;如圖示
是以我們在設計電路時,尤其注意這裡充能時間,要保證充能階段通過電感的峰值電流不能超過其飽和電流;
2.釋放能量階段
将S1斷開,Vin和電感能量通過二極管D1,供給到Vout,同時給電容C1充電;
此時我們能夠得出釋放能量階段電感兩端電壓Uf = Vout + 0.3 - Vin
我們知道電感公式U = L*di/dt,即Vout + 0.3 - Vin = L*di/Toff,這裡Toff表示釋放能量時間;
在釋放能量過程中S1斷開,電感L1右端會産生很大的感應電動勢,由于二極管的鉗位作用,上圖二極管左側電壓會被鉗位在Vout+0.3(二極管兩端壓降)左右;故這裡不會産生高壓風險;
上述S1在實際應用中是用NMOS管代替,我們通過控制NMOS管的開關來控制電感的充放能量;
綜上所述我們知曉電感在整個周期内電流波形如下:
在Ton期間和Toff期間電感的電流變化量相同,Imax不能超過電感飽和電流;
由上文中公式:Vin = L*di/Ton,得L *di= Vin*Ton
Vout + 0.3 - Vin = L*di/Toff,得L *di=Vin*Ton=(Vout + 0.3 - Vin)*Toff≈(Vout - Vin)*Toff
則Vin*Ton = (Vout - Vin)*Toff,這個公式也就是伏秒平衡公式;
又Ton+Toff = T =1/f,占空比D = Ton/T;
這裡的f就是開關頻率,一般我們選用boost升壓晶片中都有給出;
我們化簡Vin*Ton = (Vout - Vin)*Toff
可以得出占空比D = 1- Vin/Vout,Vin和Vout一般都是已知條件;
我們再來說下紋波率這個概念,我們用r表示,紋波率就是電流的變化量/平均電流,一般我們會根據設計要求,紋波率一般設定為0.2~0.4之間;我們可以根據我們對紋波的要求來設定參數;
我們再看,我們知道Vin = L*di/Ton,則電感L = Vin*Ton/di,di就是電流變化量,是以di = Io*r,這裡的Io為電感的平均電流
或者根據公式Vout + 0.3 - Vin = L*di/Toff
上述2個公式均能求出電感值,但是注意理論計算和實際還是有差距的,電感值還是需要根據實際調試結果來進一步确認電感值;