电源硬件设计----升压(Boost)变换器基础

╰+攻爆jí腚メ 2023-09-27 09:53 114阅读 0赞

## 1 升压变换工作原理 ##

#### 1.1 升压电路实例 ####

TPS61089升压转换器，典型应用电路如图所示：

**转换器特性：**

*  输入电压范围：2.7V至12V
 *  输出电压范围：4.5V至12.6V
 *  效率高达90%(Vin=3.3V、Vout=9V且Iout=2A时)
 *  可调节开关频率范围：200kHZ至2.2MHz

![在这里插入图片描述][3fcee3d84f56416fbf28f47c50c30ef6.png_pic_center]

**电路图来自TPS61089官方数据手册**

TPS61089升压电路实例：

*  外围需要电感和电容来储能和放能
 *  需要两个电阻来设定输出电压
 *  一个输入电源
 *  一个逻辑信号来时能或关断

#### 1.2 升压的工作原理 ####

升压(Boost)变换器拓扑如图所示：  
![在这里插入图片描述][bd379445563f4adf96c21381ec3d187a.png_pic_center]

**升压的工作原理：**

*  利用电感产生的感应电动势，输出电压是输入电压+电感上的感应电动势
 *  前半周电感的电流增加，感应电动势正负如图所示，电感里储能增加

![Alt][]

*  后半周电感的电流减少，感应电动势正负如图所示，电感里储能减少，电感对外放出能量

![Alt][Alt 1]

*  `开关Q1是主开关`，`开关Q2是整流开关`，Q2可以用单向导电的二极管代替。当Q2是一个MOSFET开关的时候，在前半周，Q2必须断开以防止电流从输出通过Q2和Q1倒流到地。当Q2是个二极管，二极管的单向导电特性自动防止了电流的倒流

#### 1.3 升压变换稳态方程 ####

*  电感和电容方程：  
    ![在这里插入图片描述][5e279919ac824b49b5732ddeec8ea42d.png_pic_center]
 *  一个周期内电感上的平均电压为0(伏秒平衡)：  
    ![在这里插入图片描述][5ec15321378b4cca8c9ac8c28b0d0580.png_pic_center]
 *  开关占空比D：  
    ![在这里插入图片描述][79267cc5c71e41fba6a268311142145c.png_pic_center]
 *  电感纹波电流：  
    ![在这里插入图片描述][0884ec430b2149f19e17e6c2762dd3c4.png_pic_center]
 *  一个周期内电容上的平均电流为0(安秒平衡)：  
    ![在这里插入图片描述][d717c17b877748d898d06f4d1b735c03.png_pic_center]
 *  输出电容上的电压纹波：  
    ![在这里插入图片描述][3d4bef7b904e4f72b49fa5dbcd09beab.png_pic_center]

#### 1.4 稳态工作时的波形 ####

升压(Boost)变换器拓扑如图所示：  
![在这里插入图片描述][2517eebeb8464de980ec0b3b4453947c.png_pic_center]

*  输入电压：直流
 *  开关节点的电压：方波
 *  电感电流：随时间连续的增加或减少(CCM)
 *  输出电压：直流电压上叠加了纹波
 *  输出电容上的电流：1、前半周，以IOUT对负载放电；2、后半周，电感电流减去IOUT对电容充电

稳态工作时的电压和电流波形，如图所示：

![在这里插入图片描述][c67037c9a03448da83ba2f4b9c4cb5a6.png_pic_center]

## 2 功率器件选型 ##

#### 2.1 功率电感选型 ####

选型时主要考虑的电感参数：

*  电感值
 *  电感饱和电流，饱和电流大于最大峰值电流
 *  电感温升电流，温升电流大于最大平均电流
 *  直流电阻(DCR)，DCR低的电感，损耗小

数据手册中推荐的电感值范围：

![在这里插入图片描述][02f0537905e84c16af91fa75332ff728.png_pic_center]

数据手册中推荐的电感型号：

![在这里插入图片描述][38546c8464014de98ee0b0defa96a66f.png_pic_center]

#### 2.2 陶瓷电容选型 ####

选型时主要考虑的电容参数：

*  电容值
 *  额定电压
 *  温度范围

数据手册中推荐的输出电容值范围：

![在这里插入图片描述][d87269da29eb41499ac063d9688d0bf3.png_pic_center]

#### 2.3 外围器件建议 ####

TPS61089数据手册外围器件建议及典型应用如图：

![在这里插入图片描述][149b7fdb492a49ce9f6d29b280cc1473.png_pic_center]

#### 2.4 开关器件选型 ####

选型时主要考虑的开关器件参数：

*  开关器件的耐压
 *  开关器件电流能力
 *  热特性，1、开关损耗和导通损耗；2、器件的热阻；3、环境温度和散热条件

## 3 PCB布板 ##

#### 3.1 PCB布板的影响 ####

PCB布板不良对电路的影响：

*  电路无法正常工作
 *  电路损坏
 *  电磁辐射(EMI)过高

#### 3.2 电路的关键路径 ####

升压电路的关键路径和节点，如图所示：

![Alt][Alt 2]

*  功率电路中电流断续的路径
 *  功率电路中电压剧烈变化的节点
 *  控制电路中高输入阻抗的节点，1、逻辑电平输入节点；2、模拟电压输入节点
 *  缩短电流断续路径，较少包围面积
 *  防止SW节点干扰其他节点
 *  防止高输入阻抗节点接近SW或其他干扰源

#### 3.3 PCB布板步骤 ####

TPS61089升压电路原理图如图所示：

![Alt][Alt 3]

TPS61089升压电路PCB布板步骤：

*  放置和连接输出电容

![Alt][Alt 4]

*  放置和连接电感和输入电容

![Alt][Alt 5]

*  放置和连接模拟输入电路

![Alt][Alt 6]

*  放置和连接数字输入电路

![Alt][Alt 7]

*  信号地连接和铺地  
    ![Alt][Alt 8]  
    TPS61089升压电路完整PCB板，如图所示：  
    ![Alt][Alt 9]

#### 3.4 PCB布板建议 ####

TPS61089数据手册PCB布板建议，如图所示：

![Alt][Alt 10]

## 4 电气参数 ##

#### 4.1 输入和输出电压 ####

芯片的输入电压：指芯片能够正常工作的输入电压范围

*  输入的最低电压：芯片的钱呀保护点决定
 *  输入的最高电压：芯片内部的输入引脚最高耐压值决定

芯片的输入电压：一般通过反馈引脚的分压电阻网络来设定

*  输出电压的最低值：芯片的工作特性相关，可能是最小占空比或芯片的最小工作电压
 *  输出电压的最高值：芯片输出引脚端耐压值决定

TPS61089数据手册中部分电气参数，如图所示：

![Alt][Alt 11]

#### 4.2 峰值和谷值电流 ####

*  峰值电流：电感电流的最高值，一般检测下管电流实现  
    ![Alt][Alt 12]
 *  谷值电流：电感电流的最低值，一般检测上管电流实现  
    ![Alt][Alt 13]

#### 4.3 效率 ####

*  效率的定义：`效率=输出功率/输入功率`
 *  主要损耗：1、开关器件开关损耗；2、开关器件导通损耗；3、电感损耗

#### 4.4 导通电阻 ####

*  **导通电阻：** 功率管的开通状态下两端的电阻，流过电流时会产生损耗

TPS61089数据手册中导通电阻参数，如图所示：

![Alt][Alt 14]

#### 4.5 静态电流 ####

*  **静态电流：** 芯片开关不工作的时候，芯片内部电路消耗的电流。芯片使能后的待机功耗由静态电流决定，包括从输入侧和输出侧两部分消耗的电流

TPS61089数据手册中静态电流参数，如图所示：

![Alt][Alt 15]

*  **实际应用中测量芯片的静态电流：** 1、首先把FB引脚接到比反馈电压高的外置电源，使芯片内部的来管切换关闭；2、分别在输入侧和输出侧接电源和电流表，测量两侧消耗的静态电流

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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