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。