DC-DC 升壓變換器的設計＊

杜艷紅，周宏運

（天津農學院工程技術學院，天津300384）

隨著計算機信息和電子信息技術的高速發展，電力電子設備與人們的生活聯系越來越緊密。從小型簡易攜帶電子產品到大型復雜工業工廠機器設備，里面都應用到電源管理技術。近年來，隨著人們對高頻率開關變換技術的運用和研究，開關變換器的建模方法和控制策略受到全世界專家學者的普遍重視[1]。如今經濟、科技高速發展，對各類電子產品需求也越來越高。變換器為電子產品電源集成電路的重要部分，DC-DC 變換器應具有高可靠性、高效率、高安全性，既經濟實惠，又節能環保。信息時代，人們對DC-DC 電源變換技術要求也日趨提高，穩定高效是人們對變換器要求的必然趨勢[2-3]。

1 電路結構原理

在升壓變換器中Boost 斬波電路應用居多，電路由輸入儲能部分、升壓部分和濾波輸出部分組成，是最簡單的直流升壓電路。設計方面具有結構簡單、涉及元器件較少、容易調試、用途廣泛等特點，尤其在直流電動機傳動方面一直備受關注。拓撲結構如圖1 所示，當驅動信號Vgs驅動功率開關管VF導通時，輸入電源Vin通過開關管VF給升壓電感Lf儲能，此時負載由濾波電容Cf供能。當開關管關斷時，輸入電壓和儲能電感Lf共同向負載提供能量，同時給電容Cf充電。

圖1 拓撲結構圖

2 變換器模式分析

Boost 變換器有兩種基本工作模式，即連續模式和非連續模式。在一個工作周期內，升壓電感始終保持著儲能和放能的過程，當功率開關管截止時，電感電流iLf達到最大值，然后電感通過升壓二極管和輸入電壓共同給輸出負載提供能量。當升壓電感取值太小或者輸出負載阻值大于一定值時，斬波電路可能由連續模式進入非連續模式。

3 DC-DC 升壓控制電路設計

3.1 電流型控制模式

控制電路用芯片UC3842B 來驅動開關管的導通與關斷。UC3842B 芯片是一種高性能固定頻率電流模式控制器，專為離線和直流至直流變換器應用而設計。該控制芯片在國內的應用相當廣泛，通過調節占空比來控制輸出電壓。

峰值電流型PWM 控制模式的工作原理為：輸出電壓Vout分壓后得到反饋信號Vfb，Vfb與帶隙基準電路產生的參考電壓Vref經過誤差放大器的比較放大后，得到誤差放大信號Vea，Vea輸入到PWM 比較器的負端。斜坡補償信號與電流采樣信號相互作用后產生的信號Va輸入到比較器正端，PWM 比較器輸出端產生一個時鐘控制信號，通過邏輯控制電路或驅動電路的處理來控制功率開關管的導通與關斷。該時鐘信號的占空比同時受到輸出電壓和電感電流的控制[4]。

3.2 控制電路設計

為穩定輸出預期目標電壓，采用閉環反饋電流模式控制，控制原理如圖2 所示。

3.3 參數整定

一個系統能穩定輸出，與各器件數據規格有密切的關系。本設計要求輸入電壓2.7～5 V，輸出電流2 A，輸出電壓24 V，輸出紋波低于1%，效率高達95%，開關頻率為50 kHz。

圖2 電路控制原理圖

考慮Boost 電路工作在CCM 模式下，電感滿足下式：

理論上可以取很大的電感值，但隨著電感值的增大，電感元件的尺寸也會增大，也會影響變換器的瞬態響應。為減少紋波信號干擾，在輸出電路設計一個濾波電容，根據設計指標，電容值滿足下式：

電容取值越大，濾波效果越好。其余器件規格如表1所示。

表1 器件參數

4 測試結果

基于UC3842B 控制電路在PSⅠM 環境下搭建模型并進行數據測試，改變不同輸入數據，測試各個環節數據如表2所示。

根據表2 中5 組測試數據可以看出，輸入電源在2.7～5 V 變化范圍內，輸出電壓穩定在24 V 左右，波動范圍±0.05 V，減小輸入電壓，輸入電流平均值增大，經過計算分析電源效率高達95%以上，紋波也小于1%，設計的電路基本滿足預期要求。

表2 測試數據

5 結論

本設計由Boost 斬波電路和基于UC3842B 的控制電路組成，通過改變占空比，使輸出電壓穩定在預設范圍內。該控制電路結構簡單、體積小、容易調試、性價比高，而且具有過流、過壓、欠壓多種保護功能。該升壓變換器有廣泛的應用前景，派生電路和應用領域更有研究價值和技術發展空間。