DC-DC升压开关电源设计

一、设计要求
本课程要求设计一个DC-DC升压开关电源，输入低压直流信号，输出为高压直流信号。

设计要求：1、输入5V直流，输出12V、100mA直流
2、在额定负载情况下，纹波的峰-峰值<=30mV
3、输出尖峰电压峰-峰值<=200mV
4、100mA电压下降<=30mV
二、设计方案
1、理论基础
The boost converter，是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。

在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图二，开关（三极管）处用导线代替。

这时，输入电压流过电感。

二极管防止电容对地放电。

由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。

随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。

而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。

升压完毕。

说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。

充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。

如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。

如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

2、实际方案
本课题采用驱动式开关升压方式，主要利用电容和电感的储能特性实现。

具体可以分为以下几个部分。

第一个是振源，因为是开关电路，所以需要利用高频的方波信号实现三极管的导通与截止。

然后的主放大电路用来给负载端升压，需要一个三极管和一个电感，利用电感的储能实现直流信号的输出。

由于在开关闭合的瞬间，电感上会产生巨大的瞬时电压，而且电感的充电与放电是交替进行的，所以输出不可能是一个单纯的直流信号，那么就需要一个滤波电路把交流信号滤除。

之后为了稳定输出电压，就需要一个负反馈调节电路来控制主放大电路的开关。

三、方框图
四、框内电路设计
1、振荡电路
此部分电路是由一个555定时器构成的多谐振荡器，它的工作原理如下：555的阈值输入THR和触发输入TRI相连，由电容的端电压Uc控制。

暂态1：Uc小于555定时器的阈值电平Vref2，输出OUT为高电平，放电管VT1截止。

由于DIS端呈高阻状态，电源通过电阻R1，R2向电容充电，Uc 逐渐上升。

当Uc上升到略大于阈值电平Vref1时，输出OUT翻转为低电平，暂态1结束。

同时因为放电管VT1导通，电路又产生新的过渡过程。

暂态2：电容通过电阻R2和放电管VT1放电，Uc逐渐下降。

但只要Uc大于Vref2，定时器的输出就保持不变，直到Uc略小于Vref2，输出再次翻转，OUT=‘1’，暂态2结束，回路回到暂态1。

如此周而复始循环，输出频率一定的矩形波信号。

若CON端没有外加控制电压，则Vref1=2/3Vcc，Vref2=1/3Vcc。

2、主电路
主电路就是要完成从输入到输出的升压过程，它主要由一个大功率三极管和一个上拉电感构成，三极管主要用于配合输入的方波进行开关转换，电感的作用是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当三极管开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当三极管断开后电感将储存的磁场能转换为电场能，且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁砀能转换为电能的叠加后形成的，所以输出电压高于输入电压，即升压过程的完成。

不过为了防止三极管截止时产生的过高的电压烧坏元器件，所以我们在电感的两端并联一个电容用来吸收电压，保护元件。

3、滤波电路
由于我们需要的输出为直流信号，但是在借助电感进行充放电的时候混入了一些交流信号，所以需要滤波电路来帮助滤除这些交流信号。

在主电路的输出上先接一个二极管，这个二极管主要起隔离作用，当三极管截止时，二极管的正极电压比负极电压低，此时二极管反偏截止，使此电感的储能过程不影响输出端电容对负载的正常供电。

当三极管导通时，两种叠加后的能量通过二极向负载供电，此时二极管正向导通，要求其正向压降越小越好，尽量使更多的能量供给到负载端。

之后的滤波电路采用LC复式滤波电路，如果单独使用电容或电感来滤波，可能效果不够理想，所以同时使用两个元件，利用他们对直流和交流呈现出的不同的电抗特性，选择合适的参数，就可以完成滤波。

4、电压比较电路
电压比较电路使用集成芯片LM339，一个集成了4个电压比较器。

LM339类似于增益不可调的运算放大器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态。

LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻。

选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。

因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。

我们将从滑动变阻器上采样的电信号输入到电压比较器的同相端，反相端通过一个稳压管接固定电压，通过计算电阻值可以将门限电压控制在3V。

5、反馈调整电路
这部分电路比较简单，利用三极管的开关来实现。

当电压比较器的输出端为高电平时，三极管导通，从555输出的方波信号全部通过这个三极管接地，则主电路无信号输入，可以使电压降低。

当电压比较器的输出端为低电平时，三极管截止，可使电压逐步升高，配合电压比较器的采样端，可以把电压稳定在一个固定值上。

6、负载输出端
负载输出端用10k电阻并联一个滑动变阻器，滑动变阻器用于采用实现稳压。

但是这样输出电阻就很大，于是在两端并联一个内负载1.2k，这样可以有效提高输出功率。

五、系统概述
DC/DC升压开关电源的原理如下所述：
首先由555定时器产生一个固定频率为1K~5KHz的方波信号，这个信号用来控制主电路三极管的导通与截止。

当三极管导通时，输入的电流流入电感充电，而当三极管截止时，电感上产生巨大的瞬时电压并开始放电，这两股能量叠加后导致输出电压升高。

由于输出的电压不仅仅是直流信号，所以通过一个二极管整去负信号，用LC滤波电路滤除交流信号。

为了达到要求的输出电压，我们用一个滑动变阻器来调节，最后要稳定电压在一个恒定值，所以将滑动变阻器的输出接到电压比较器的输入，当输入电压低于门限电压时，电压比较器输出低电平，反馈端的三极管截止，输出电压持续增高；当输入电压高于门限电压时，电压比较器输出高电平，反馈端的三极管导通，输出电压降低，最终保持在一个稳定值。

六、电路数据计算与推导
555定时器构成的多谐振荡器的参数计算：
从工作原理分析可知，电路状态的改变是由电容充放电引起的。

所以暂态1、暂态2的持续时间取决于电容电压Uc的过渡过程。

1、高电平周期Tph
以暂态2结束时间为计时起点。

Uc的初值是Uc（0+）=vref2=1/3Vcc，终值是Uc（正无穷）=Vcc，充电时间常数为t=（R1+R2）C1.所以，根据三要素法，在暂态1期间Uc的变化关系为：
Uc（t）=Vcc-2/3Vcc*e^[-t/(R1+R2)/C1]
当暂态1结束时有t=Tph，Uc（Tph）=Vref1=2/3Vcc，代入上式，得暂态1的持续时间为：
Tph=(R1+R2)C1ln2=0.7(R1+R2)C1=7.7*10^(-5)s
2、低电平周期Tpl
以暂态1的结束时间为计时起点。

Uc的初值是：Uc（0+）=2/3Vcc，终值是Uc（正无穷）=0，放电时间常数为t=R2C1。

所以在暂态2期间，Uc的变化关系为：
Uc(t)=2/3Vcc*e^[-t/(R2C1)]
当暂态2结束时，t=Tpl，Uc（Tpl）=vref2=1/3Vcc，代入上式，得暂态2的持续时间为：
Tpl=R2C1ln2=0.7R2C2=7*10^(-6)s
由此可以计算出输出的方波信号的占空比为90%。

七、调试中的问题及解决方法
1、电压不可调
在第一次连接完电路后，接上电源，我便遇到了这个问题。

我把万用表接在负载输出端，看到输出电压只有4V多，与目标要求的12V还差很远，所以我调整滑动变阻器，但是电压并没有变。

于是我判断这是反馈线路的问题，我便仔细检查了一遍反馈回路，最后发现电压比较器的接地端接在了+5V，而应该接+5V 的引脚接在地上。

2、接入负载电压大幅下降
当我能调节滑动变阻器至12V时，把120欧的负载接上，万用表的读数直接下降至5V，当我把负载断开，又回到了12V。

我一开始认为是电感或电容的问题，于是就换了几次电感，但是虽然有些改变，但仍不是很明显。

后来我决定更改电阻的参数。

把三极管的上拉电阻改小，然后又把几个基极电阻改小，电压一下子有了明显提升，于是我又略微改了几个参数，把电压的降幅减小至1V以内。

3、电压持续缓慢衰减
当我再次接上负载时，电压并未衰减多少，但是它的值却在不停改变，一直在减小。

当减到某个值的时候就不再减了。

我觉得可能是储能元件有问题，导致电压不稳，于是我把所有的电容和电感都换了一遍，可是都没有解决这个问题。

后来我怀疑是因为输出功率不够，带不动负载，所以我把电压源的输出电压调到6V，接入负载后，发现电压能够稳住，而且没有衰减多少。

于是我决定再减小部分电阻的阻值，以减小分压，留下更多的电压分给负载，然后我就把555上的两个电阻减小到1k和10k，这样占空比的要求依然符合。

后来发现这个措施确实有效，不仅解决了电压持续衰减问题，而且在接上负载的时候，电压还升了10mv。

八、总电路图
九、器件表。