升壓轉換器簡介：結構與設計
發(fā)布日期:2023-10-19
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升壓轉換器功率級
正如“升壓”和“升壓”這兩個名稱所暗示的那樣，我們今天討論的拓撲可以實現(xiàn)高于輸入電壓的輸出電壓。這與效率的提高一起代表了開關模式相對于線性調(diào)節(jié)的關鍵優(yōu)勢，因為后者無法產(chǎn)生高于 V IN的 V OUT。
然而，使用開關模式技術，我們所需要的只是對用于降壓轉換器的相同簡單組件進行不同的布置。圖 1 顯示了這種升壓布置的樣子。
圖 1.升壓穩(wěn)壓器的電路圖。圖片由羅伯特·凱姆提供
現(xiàn)在我將為 LTspice 創(chuàng)建一個升壓轉換器設計。與 LTspice 降壓轉換器一樣，我將使用壓控開關而不是晶體管。
我的實現(xiàn)如下圖 2 所示：它代表了一個用于低電壓、電池供電應用的電路，我選擇的值反映了這一點。我將在下一節(jié)中詳細介紹這一點。
圖 2.在 LTspice 中實現(xiàn)的升壓轉換器原理圖。圖片由羅伯特·凱姆提供
它是升壓調(diào)節(jié)器還是升壓轉換器？查看什么是開關穩(wěn)壓器？回顧術語和基本概念。
工作參數(shù)和元件值
在根據(jù)該原理圖運行仿真之前，讓我們考慮一下升壓轉換器的參數(shù)。
輸入和輸出電壓
升壓轉換器的 2.5 V 電源提供輸入電壓，我們可以從一對部分放電的堿性紐扣電池獲得。不過，與其他開關一樣，完整的電路（即功率級與用于輸出電壓調(diào)節(jié)的反饋系統(tǒng)相結合）將與一系列輸入電壓兼容。因此，同一電路可以與 3 V 鋰離子紐扣電池或單個堿性電池組合。
指定的輸出電壓為 5 V。我可以想象一種設備，其中該 5 V 直接為一些更高功率的驅動電路和連接的傳感器或繼電器模塊供電，5 V 隨后通過一個或多個緊湊的線性穩(wěn)壓器以實現(xiàn)更低的電壓功率數(shù)字電路和高精度模擬電路。我喜歡這種電源管理解決方案：盡管電池電壓逐漸降低，但它為我們提供了穩(wěn)定的 5 V 電源軌，可以直接或間接地為系統(tǒng)中的所有組件可靠供電。
占空比
升壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓、輸出電壓和占空比之間的理想關系如下：
我們的 V IN = 2.5 V 和 V OUT = 5 V。由于我不會故意將非理想因素納入模擬中，因此我會將效率保留為 100%。這給我們提供了 50% 的占空比。
對于那些還沒有閱讀過前面文章的人，我想強調(diào)的是，我們不能依靠固定的占空比來產(chǎn)生所需的輸出電壓。上面的等式為我們提供了一個起點，但在實際實現(xiàn)中，我們將依靠閉環(huán)控制來根據(jù)需要調(diào)整占空比，以維持適當?shù)?V OUT。
電感
我使用公式確定了 LTspice 降壓轉換器的原始電感值。然而，當我嘗試對升壓轉換器使用相同的方法時，我的次嘗試產(chǎn)生的電感值比我希望在緊湊型低壓設備中使用的電感值大一個數(shù)量級。
幸運的是，這種計算出的電感對于成功的轉換器操作來說并不是必需的：我沒有尋找不同的公式，而是選擇了一個符合我建議的尺寸限制的值并使用它。圖 2 中所示的 2 μH 電感基于德州儀器 (TI) 應用筆記中的升壓轉換器電感建議，其中還包含我初使用的公式以及有關電感器選擇的其他有用信息。
開關頻率
因為我選擇了相當小的電感，所以我還選擇了更高的開關頻率。這是開關穩(wěn)壓器設計中的基本關系之一：較高的開關頻率可實現(xiàn)較低的電感。我的 f OSC為 2 MHz，這對于切換器來說相當高，但并非不切實際。
輸出電容
您可以使用以下公式根據(jù)預期輸出電流 (I OUT )、占空比 (D)、開關頻率 (f OSC ) 和所需輸出紋波 (ΔV OUT ) 計算滿意的輸出電容：
不過，根據(jù)我上面描述的應用特性，沒有特別需要保持低紋波。正如我在本文前面所建議的，該電路還可以連接到線性穩(wěn)壓器，在這種情況下，它將受益于線性穩(wěn)壓器的紋波抑制功能。
我終決定跳過計算。與電感一樣，我使用了現(xiàn)實集成電路的建議來得出我認為性能和尺寸之間良好折衷的值。
線性穩(wěn)壓器 PSRR
當我們討論這個主題時，線性穩(wěn)壓器的紋波抑制能力用 PSRR（電源抑制比）來??衡量。PSRR根據(jù)多個參數(shù)波動，包括頻率；下圖（圖 3）顯示了這種波動。
圖 3.PSRR與紋波頻率的關系圖。圖片由德州儀器 (TI)提供
PSRR（以分貝為單位）相對于紋波頻率（以赫茲為單位）的圖表。 它表明，一旦頻率超過 10k Hz 閾值，PSRR 就會降低并且變得不太穩(wěn)定。
盡管我們在 2 MHz 時仍有大量衰減，但如果您計劃使用線性穩(wěn)壓器來降低輸出紋波幅度，則該圖提供了支持選擇較低開關頻率的論據(jù)。
二極管反向恢復時間
我們還有一個參數(shù)需要討論：轉換器二極管的反向恢復時間，這對于開關穩(wěn)壓器尤其重要（如果您有興趣了解更多信息，這篇關于為您的電源電路選擇正確的整流器的文章是一個很好的資源） 。
雖然我在降壓轉換器中使用了標準二極管，但在升壓轉換器中我選擇了肖特基二極管。肖特基二極管通常是開關穩(wěn)壓器的，因為它們可以更有效地在導通和非導通狀態(tài)之間切換，并且導通時具有較低的壓降。
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