一种实用的BOOST电路

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,便可设计出大功率输出的DC／DC升压电路。
　　UC3S42是一种电流型脉宽调制电源芯片,价格低廉,广泛应用于电子信息设备的电源电路设计,常用作隔离回扫式开关电源的控制电路,根据UC3842的功能特点,结合Boost拓扑结构,完全可设计成电流型控制的升压DC／DC电路,且外接元器件少,控制灵活,成本低,输出功率容易做到100W以上,具有其他专用芯片难以实现的功能。
1 UC3842芯片的特点
　　UC3842工作电压为16~30V,工作电流约15mA。芯片内有一个频率可设置的振荡器;一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构,特别适用于MoSFET的驱动;一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器;具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器,最大占空比可达100％。另外,具有内部保护功能,如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。
　　由UC3842设计的DC／DC升压电路属于电流型控制,电路中直接用误差信号控制电感峰值电流,然后间接地控制PWM脉冲宽度。这种电流型控制电路的主要特点是：
　　1)输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化,电感电流自动调整而不需要误差放大器输出变化,改善了瞬态电压调整率;
　　2)电流型控制检测电感电流和开关电流,并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较,控制PWM脉宽,由于电感电流随误差信号的变化而变化,从而更容易设置控制环路,改善了线性调整率;
　　3)简化了限流电路,在保证电源工作可靠性的同时,电流限制使电感和开关管更有效地工作;
　　4)电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿,因为,平均电感电流大小是决定输出大小的因素,在占空比不同的情况下,峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相对应,特别是占空比,50％的不稳定性,存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差,即使占空比2 Boost电路结构及特性分析
2.1 由UC3842作为控制的Boost电路结构
　　由UC3842控制的Boost拓扑结构及电路分别如图1和图2所示。

　　图2中输入电压Vi=16~20V,既供给芯片,又供给升压变换。开关管以UC3842设定的频率周期开闭,使电感L储存能量并释放能量。当开关管导通时,电感以V1／L的速度充电,把能量储存在L中。当开关截止时,L产生反向感应电压,通过二极管D把储存的电能以(Vo-Vi)／L的速度释放到输出电容器C2中。输出电压由传递的能量多少来控制,而传递能量的多少通过电感电流的峰值来控制。
　　整个稳压过程由二个闭环来控制,即
　　闭环1 输出电压通过取样后反馈给误差放大器,用于同放大器内部的2.5V基准电压比较后产生误差电压,误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化。
　　闭环2 Rs为开关管源极到公共端间的电流检测电阻,开关管导通期间流经电感L的电流在Rs上产生的电压送至PwM比较器同相输入端,与误差电压进行比较后控制调制脉冲的脉宽,从而保持稳定的输出电压。误差信号实际控制着峰值电感电流。
2.2 Boost升压结构特性分析
　　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,
　　

3 样机电路设计
　　样机的电路图如图2所示,是基于UC3842控制的升压式DC／DC变换器。电路的技术指标为：输入Vi=18V,输出Vo=40V、Io=2A,频率f≈49 kHz,输出纹波噪声1％。
　　根据技术指标要求,结合Boost电路结构的定性分析,对图2的样机电路设计与关键参数的选择进行具体的说明。