BOOST电路设计和matlab仿真

Boost升压电路及MATLAB仿真

一、设计要求

1.输入电压（VIN）:12V

2.输出电压（VO）：18V

3.输出电流（IN）:5A

4.电压纹波：0.1V

5.开关频率设置为50KHz

需设计一个闭环控制电路，输入电压在10—14V或负载电流在2—5A范围变化时，稳态输出能够保持在18V 。根据设计要求很显然是要设计一个升压电路即Boost电路。Boost电路又称为升压型电路,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。其工作过程包括电路启动时的瞬态工作过程和电路稳定后的稳态工作过程。

二、主电路设计

图1主电路

2.1 Boost电路的工作原理

Boost升压电路电感的作用：是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当MOS开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当MOS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场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，既升压过程的完成。

Boost升压电路的肖特基二极管主要起隔离作用，即在MOS开关管闭合时，肖特基二极管的正极电压比负极的电压低，此时二极管反向截止，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；因在MOS管断开时，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。闭合开关会引起通过电感的电流增加。打开开关会促使电流通过二极管流向输出电容因储存来自电感的电流，多个开关周期以后输出电容的电压升高，结果输出电压高于输入电压。

接下来分两部分对Boost电路作具体介绍即充电过程和放电过程。

充电过程

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。

图2 充电原理图

放电过程

如图，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。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。

图3 放电原理图

参数计算

1.占空比计算

由上图1、图2可知电感电流连续时，根据开通和关断期间储能和释能相等的原理

可得：

**()**(1)

(2)

in L on o in L off

on

V I t V V I t

t

T

δ

=-

=

其中δ为占空比，有(1)，(2)式可得故有

121

11

183

in

o

V

V

δ=-=-=，可得占空比为33.3%

即为所求。

2.电感的设计

开关管闭合与开通状态的基尔霍夫电压方程如下所示:

/(1)

/(2)

1/(3)

2(4)

IN ON L ON IN D L OFF O

ON OFF s ON OFF

V V L i T V V L i T V T T f T T -=∆+=-∆++==

由上式可得：11()

O

ON OFF

V L I T T =∆+

此时二极管的导通电压降为0.5D V V = ，IN L I I 2.0=∆,开关导通压降为0.5ON V V =，利用1/ON OFF S T T f +=，经计算得： 51810801133

()

24

O

ON OFF

V L uH I T T -==

∙=∆++。

3. 纹波电容的计算

由公式2

(1)8O V D C T L V

-=

∆，带入数值得75C uF =

4. 负载电阻计算

由于输出的电压为18V ，要输出的电流为5A 。由欧姆定律可得负载的电阻值为3.6欧姆即可满足设计要求。

三、电路设计与仿真

3.1 开环boost 电路仿真

图4 开环电路图

电压、电流的仿真结果如下图。

图5 开环Boost 电路仿真结果

3.2闭环Boost 电路仿真

3.2.1主传递函数计算

由题目已知其占空比是恒定的，仅考虑输入电压波动时。可由公式(5)得到传递函数。

2

()022'(1)'()|(5)()'g O c

V s sL

D V V D R

g s L d s LCs s D R

=-

=

=

++

带入数据得：

2()0223824'(1)'()|()'5.410108

5.4102104

g

O c

V s sL

D V V D R

g s L d s LCs s D R

s s s =----

=

=

++-⨯+=-

⨯+⨯+

只需在前面的开环电路中加入传递函数即可，如下所示。