升压型DC-DC工作原理及应用指南

DC/DC 升压型应用

1.工作原理

基本工作原理图如图一：

图一

图二

当开关管导通时（图二），电路中有两个电流回路。如图所示。此时，流过电感的电流不断增大，电感储能，电感产生电动势（左为正），二极管截止；另一回路中，输出电容放电，释放能量，供给负载，电荷量减少。

图三

当开关管断开时（图三），电感中流过的电流有减小的趋势，电感产生反向电动势（右为正）阻碍电流的减小，使二极管导通，对输出电容充电，电感释放能量。电容上的电压（即输出电压）可达到超过输入电压，达到升压的效果。

在一个周期内，输出电压往往达不到设定值，这时，则通过输出取样反馈调整占空比，具体对未达到设定值这种情况，就是增大占空比，延长开关管导通时间，（开关管导通，电感储能），那么在这个周期内输出电压升高。若达到最大占空比仍还没达到设定值，开关管ON状态便强制结束，在下一个周期维持大占空比，使输出电压继续升高。如此往复，直到达到设定值。类似的，若输出超过设定值，则通过输出取样反馈减小占空比，延长开关管关断时间，输出电压减小，同样，若调到最小占空比，输出电压仍未降到设定值，，开关管OFF状态强制结束，在下一个周期继续维持小占空比，使输出电压下降。如此往复，直到达到设定值。最后的结果就是输出电压在设定值处微小范围内上下浮动。

2. 输出电流和功率：

在升压应用中，输出负载电流和开关管电流的大小并不相等。最大负载电 流必须小于开关管的额定电流。

总输入功率等于输入电压乘以最大平均输入电流。由于输出电压高于输入电压，输出电流必小于输入电流。

3. 工作波形

输出电压 out v =off

in t T v 。由输出公式可知，调整占空比可对输出电压进行控制。 4. 控制方式：

a ）电压模式控制：

仅对输出电压取样。在电压模式控制中，变换器的占空因数正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值。电压模式控制只响应（调节变换器的占空因数）输出（负载）电压的变化。这意味着变换器为了响应负载电流或输入线电压的变化，它必须“等待”负载电压（负载调整）的相应变化。这种等待/延迟会影响变换器的稳压特性，通常“等待”是一个或多个开关周期。负载或输入电压扰动会产生相应（尽管不一定成比例）的输出电压干扰。

优点：对输出电压的变化响应良好。

缺点：对输入电压的变化响应迟缓。

MC34060A 、MC34166、TL494均采用的这种方式。

b ）电流模式控制：

对输出电压取样，并对电感或变压器中的电流取样。

电流模式控制中，占空因数正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值。控制电流可以是非隔离拓扑结构中的开关电流或隔离拓扑结构中的变压器初级电流。

电流模式控制把变换器分成两条控制环路——电流控制通过内部控制环路而电压控制通过外部控制环路。其结果在逐个开关脉冲上不仅仅可以响应负载电压的变化而且也可响应电流的变化。外（电压）控制环路设置阈值，而在内（电流）环路调整开关或初级电路中的峰值电流。从而电流模式控制具有比电压模式控制更优越的电源电压和负载调整特性。

优点：控制速度快， 有良好的瞬间响应，对输入和输出的变化均能响应。

UC3842/3/4/5、MC34023、MC34025、MC34129采用这种控制方式。 c ）门控振荡器控制

UA78S40、MC34063A 、MC34163采用这种方式。

5.参数选取：

以MC34063A 的升压应用来说明。

输入in V =12V ±10%，输出out V =28V ，out I =175mA 。

)(p p ripple V =40mV 。min f =60KHz 。

各参数计算选择如下： off on t t =sat in in fd out V V V V V __(min)(min)+=8.0_8.108.10_6.028v v +=1.78 off on t t +(max)=min

1f =310*601=16.67us off t =1

(max )++off on

off on t t t t =178.110*67.166_+=6us on t =1.78*6us=10.7us

T C =(m ax )5_*10*4on t =6_5_10*7.10*10*4=428pF 。

取T C =470pF 。

最大开关电流：

)(switch pk I =)

1(2+off on out t t I =2*0.175（1.78+1）=973mA 。 (min)L =(max ))

((min)*)_(on switch pk sat in t I V V =6_3_10*7.10*)10*9738.0_8.10(=110uH 。 取L=170uH 。

限流电阻的选取：

计算当输入电压最大时的)(switch pk I

)('

switch pk I =(max)(max)*)_(on sat in t L V V =6_6_10*7.10*)10*1708.0_2.13(=780mA 。 sc R =)('

33.0switch pk I =78

.033.0=0.423Ω 取sc R =0.33Ω

输出电容out C ：

out C =)

(*p p ripple on out V t I =3_6

_10*4010*7.10*175.0=46.8uF 。 理论上选取这个容量的电量就可以满足要求了。考虑电容本身的ESR 影响和比较器产生的纹波

比较器产生的纹波：

)(com ripple V =3_10*5.1*)(REF

out V V =3_10*5.1*)25.128(=33.6mV 。 选取合适ESR 的电容，所需的电容的ESR 可根据下式计算： ESR=)

(3

_)(10*5.1*)_(*)_(switch pk REF out on out out p p

ripple I V V t C I V 取out C =470uF ，该电容ESR 应为0.003Ω。

一般情况下，输出电容按下式选取：

out C =)

(**9p p ripple on out V t I

6.其他应注意的问题：

A ）。输出缓冲电路

用于减小输出的尖峰电压，用串联RC 并联到输出端。

缓冲电路最大功耗为max 015.0O SN P P =

T P CV SN IN ⨯=2max 2

1 π

16T RC = 由上三式可选定RC 缓冲电路。