什么是电感型升压DC/DC转换器?决定电感型升压的DC-DC转换器输出电压的因素是什么?电感型升压转换器IC电路输出二极管选择的原则是什么?
2018-07-12 10:46:22
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什么是电感型升压DC/DC转换器?

如图1所示为简化的电感型DC-DC转换器电路,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。


决定电感型升压的DC-DC转换器输出电压的因素是什么?

在 图2所示的实际电路中,带集成功率MOSFET的IC代替了机械开关,MOSFET的开、关由脉宽调制(PWM)电路控制。输出电压始终由PWM占空比决 定,占空比为50%时,输出电压为输入电压的两倍。将电压提高一倍会使输入电流大小达到输出电流的两倍,对实际的有损耗电路,输入电流还要稍高。


电感值如何影响电感型升压转换器的性能?

因为电感值影响输入和输出纹波电压和电流,所以电感的选择是感性电压转换器设计的关键。等效串联电阻值低的电感,其功率转换效率最佳。要对电感饱和电流额定值进行选择,使其大于电路的稳态电感电流峰值。


电感型升压转换器IC电路输出二极管选择的原则是什么?

升压转换器要选快速肖特基整流二极管。与普通二极管相比,肖特基二极管正向压降小,使其功耗低并且效率高。肖特基二极管平均电流额定值应大于电路最大输出电压。

怎样选择电感型升压转换器IC电路的输入电容?

升 压调节器的输入为三角形电压波形,因此要求输入电容必须减小输入纹波和噪声。纹波的幅度与输入电容值的大小成反比,也就是说,电容容量越大,纹波越小。如 果转换器负载变化很小,并且输出电流小,使用小容量输入电容也很安全。如果转换器输入与源输出相差很小,也可选小体积电容。如果要求电路对输入电压源纹波 干扰很小,就可能需要大容量电容,并(或)减小等效串联电阻(ESR)。


在电感型升压转换器IC电路中,选择输出电容时要考虑哪些因素?

输出电容的选择决定于输出电压纹波。在大多数场合,要使用低ESR电容,如陶瓷和聚合物电解电容。如果使用高ESR电容,就需要仔细查看转换器频率补偿,并且在输出电路端可能需要加一额外电容。

进行电感型升压转换器IC电路布局时需要考虑哪些因素?

首 先,输入电容应尽可能靠近IC,这样可以减小影响IC输入电压纹波的铜迹线电阻。其次,将输出电容置于IC附近。连接输出电容的铜迹线长会影响输出电压纹 波。第三点是,尽量减小连接电感和输出二极管的迹线长度,减小功耗并提高效率。最后一点是,输出反馈电阻远离电感可以将噪声影响降至最小。


电感型升压转换器应用在哪些场合?

电感型升压转换器的一个主要应用领域是为白光LED供电,该白光LED能为电池供电系统的液晶显示(LCD)面板提供背光。在需要提升电压的通用直流-直流电压稳压器中也可使用。

要了解电感式升压/降压的原理(我今天只讲升压),首先必须要了解电感的一些特性:电磁转换与磁储能。其它所有参数都是由这两个特性引出来的。先看看下面的图:

电感回路通电瞬间


相信有初中文化是坛友们都知道,一个电池对一个线圈通电,这是个电磁铁。不论你是否科盲,你一定会奇怪,这有什么值得分析的呢?有!我们要分析它通电和断电的瞬间发生了什么。


线圈(以后叫作"电感"了)有一个特性---电磁转换,电可以变成磁,磁也可以变回电。当通电瞬间,电会变为磁并以磁的形式储存在电感内。而断电瞬磁会变成电,从电感中释放出来。


现在我们看看下图,断电瞬间发生了什么:

断电瞬间


前面我说过了,电感内的磁能会在电感断电时重新变回电,然而问题来了:此时回路已经断开,电流无处可以,磁如何能转换成电流呢?很简单,电感两端会出现高压!电压有多高呢?无穷高,直到击穿任何阻挡电流前进的介质为止。

这里我们了解了电感的第二个特性----升压特性。当回路断开时,电感内的能量会以无穷高电压的形式变换回电,电压能升多高,仅取决于介质变的击穿电压。


现在可以小结一下了:

下面是正压发生器,你不停地扳动开关,从输入处可以得到无穷高的正电压。电压到底升到多高,取决于你在二极管的另一端接了什么东西让电流有处可去。如果什么也不接,电流就无处可去,于是电压会升到足够高,将开关击穿,能量以热的形式消耗掉。

正压发生器原理图 负压发生器原理图

下面是负压发生器,你不停地扳动开关,从输入处可以得到无穷高的负电压。


上面说的都是理论,现在来点实际的电子线路图,看看正/负压发生器的"最小系统"到底什么样子:

实际电子线路

你可以很清楚看到演变,电路中仅仅把开关换成了三极管换而已。


不要小看这两个图,事实上,所以开关电源都是由这两个图组合变换而来,所以掌握这两个图非常重要。


最后要提提磁饱合的问题。什么是磁饱合?


从上面的背景知道我们可以知道电感能储存能量,将能量以磁场方式保存,但能存多少呢?存满之后会发生什么情况呢?


1。存多少:"最大磁通量"这个参数就是干这个用的,很显然,电感不能无限保存能量,它存储能量的数量由电压与时间的乘积决定,对于每个电感来说,这是一个常数,根据这个常数你可以算出一个电感要提供N伏M安供电时必须工作于多高的频率下。


2。存满之后会如何:这就是磁饱合的问题。饱合之后,电感失去一切电感应有的特性,变成一纯电阻,并以热的形式消耗掉能量。



DC/DC 升压原理


升压式DC/DC变换器主要用于输出电流较小的场合,只要采用1~2节电池便可获得3~12V工作电压,工作电流可达几十毫安至几百毫安,其转换效率可达70%-80%。


升 压式DC/DC变换器的基本工作原理如图所示。电路中的VT为开关管,当脉冲振荡器对双稳态电路置位(即Q端为1)时,VT导通,电感VT中流过电流并储 存能量,直到电感电流在RS上的压降等于比较器设定的闽值电压时,双稳态电路复位,即Q端为0。此时VT截止,电感LT中储存的能量通过一极管VD1供给 负载,同时对C进行充电。当负载电压要跌落时,电容C放电,这时输出端可获得高于输大端的稳定电压。输出的电压由分压器R1和R2分压后输入误差放大器, 并与基准电压一起去

控制脉冲宽度,由此而获得所需要的电压,即V0=VR*(R1/R2+1)式中:VR——基准电压。


降压式DC/DC变换器的输出电流较大,多为数百毫安至几安,因此适用于输出电流较大的场合。降压式DC/DC变换器基本工作原理电路如图所示。VT1为开关管,当VT1导通时,输入电压Vi通过电感L1向负载RL供电,与此同时也向电容C2充电。

在 这个过程中,电容C2及电感L1中储存能量。当VT1截止时,由储存在电感L1中的能量继续向RL供电,当输出电压要下降时,电容C2中的能量也向RL放 电,维持输出电压不变。二极管VD1为续流二极管,以便构成电路回路。输出的电压Vo经R1和R2组成的分压器分压,把输出电压的信号反馈至控制电路,由 控制电路来控制开关管的导通及截止时间,使输出电压保持不变。

DC/DC升压稳压器原理

DC/DC升压有三种基本工作方式:

一种是电感电流处于连续工作模式,即电感上电流一直有电流;

一种是电感电流处于断续工作模式,即在开关截止末期电感上电流发生断流;

还有一种是电感电流处于临界连续模式,即在开关截止期间电感电流刚好变为“0”时,开关又导通给电感储能。


下面我们将主要介绍连续工作模式及断续工作模式的工作原理。


连续工作模式


当 稳压器有一定负载时,电感电流处于连续工作模式。当开关导通时,如图1所示,电感和电容进行储能,电感电流不能突变,电流线性增加,也给电容C1进行充 电。当开关截止时,如图2所示,负载电流由电感和电容提供,电感电流不能突变,继续给负载输出电流,给负载供电。电流IL和ID的电流变化和电容电压变化 如图3所示。当开关管导通时:△IL=Vin*D/L1;当开关管截止时:△IL=Vout*(1-D)/L1;根据以上两个式子得出:Vout=Vin /(1-D)(D为占空比)

断续工作模式


当稳压器处于轻负载或无负载时,电感电流处于连续工作模式波形图如图4所示。

几款直流升压电路原理与设计


直流升压就是将电池提供的较低的直流电压,提升到需要的电压值,其基本的工作过程都是:高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电,因此直流升压电路属于DC/DC电路的一种类型。

在使用电池供电的便携设备中,都是通过直流升压电路获得电路中所需要的高电压,这些设备包括:手机、传呼机等无线通讯设备、照相机中的闪光灯、便携式视频显示装置、电蚊拍等电击设备等等。


一、几种简单的直流升压电路

以下是几种简单的直流升压电路,主要优点:电路简单、低成本;缺点:转换效率较低、电池电压利用率低、输出功率小。这些电路比较适合用在万用电表中,替代高压叠层电池。

二、24V供电CRT高压电源


一 些照相机CRT使用11.4cm(4.5英寸)纯平面CRT作为显示部件,其高压部件的阳极电压为+20kV,聚焦极电压为+3.2kV,加速极电压 为+1000V,高压部件供电为直流24V。以下电路是为替换维修这些显示器的高压部件而设计(电路选自网络文章,原作者不详)。该电路的设计也可为其他 升压电路设计提供参考。

基 本原理:NE555构成脉冲发生器,调节电位器VR2可使之产生频率为20kHz左右的脉冲,电位器VR1调脉宽。TR1为推动级,脉冲变压器T1采用反 极性激励,即TR1导通时TR2截止,TR1截止时TR2导通,D3、C9、VR3、R7及D4、R6、TR3组成高压保护电路。VR2用于调频率,调节 VR2可调整高压大小。


VR2选用精密可调电阻。T2可选用彩电行输出变压器变通使用。笔者选用的是东洋SE-1438G系列 35cm(14英寸)彩电的行输出变压器,采用此变压器阳极电压可达20kV,再适当选取R8的阻值使加速极电压为+1000V、R9的阻值使聚焦极电压 为+3.2kV即可。整个部件采用铝盒封装,铝壳接地,这样可减少对电路干扰。

一个DC-DC升压电路。Q1、Q2、R1、C2、L1组成一个震荡电路。D1,C3是整流滤波电路,D2、D5、Q3、R2是稳压控制电路,这部分电路可以用一个稳压二极管替代。这个电路负载直接接LED,有点不合理。


我 的理解大概是这样的:当大电流给电容C2充电时,R1端电位高,导致Q1Q2止;当充电电流变小时,Q1Q2通,电感两端行成很高的反压,同时电容C2通 过Q2放电,当电容端电压放到一定值时,电感反压使给电容充电的电流又达到了一定值,使R1端电位高使Q1Q2截止;反复这样。。。。当。


Q1 基极上有一电压上升时,会使得C2右端的电压产生一个大的上升,由于电容上的电压不能突变,所以形成正反馈的作用,使得Q1基极电位迅速增大,从而Q1、 Q2很快截止。然后就是C2的充电,使得Q1基极的电位下降,于是两个三极管退出截止,进入饱和状态。接下来便是C2的放电了。如此往返。

但是我不是很理解电感L的作用。如果Q1、Q2集电极都是电源VCC的话,好像我上面的推导才正确。

上 电瞬间通过R1/R2给电容充电,当C1的电压达到能使VT1导通时,VT2导通,T的初级绕组开始有电流流过,此时C放电,当C放电到不能使VT1导通 时,VT1,VT2关断,T中电流减小,同时T的次级线圈中开始感应出电流,当T的初级线圈中无电流流过,C又开始充电,如此反复振荡,在T的次级线圈中 就会感应出电压来。大概就是这样一个工作过程,说得不好请指出。

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