DC-DC 升壓變換器的設(shè)計(jì)＊

杜艷紅，周宏運(yùn)

（天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津300384）

隨著計(jì)算機(jī)信息和電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的生活聯(lián)系越來越緊密。從小型簡易攜帶電子產(chǎn)品到大型復(fù)雜工業(yè)工廠機(jī)器設(shè)備，里面都應(yīng)用到電源管理技術(shù)。近年來，隨著人們對(duì)高頻率開關(guān)變換技術(shù)的運(yùn)用和研究，開關(guān)變換器的建模方法和控制策略受到全世界專家學(xué)者的普遍重視[1]。如今經(jīng)濟(jì)、科技高速發(fā)展，對(duì)各類電子產(chǎn)品需求也越來越高。變換器為電子產(chǎn)品電源集成電路的重要部分，DC-DC 變換器應(yīng)具有高可靠性、高效率、高安全性，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又節(jié)能環(huán)保。信息時(shí)代，人們對(duì)DC-DC 電源變換技術(shù)要求也日趨提高，穩(wěn)定高效是人們對(duì)變換器要求的必然趨勢[2-3]。

1 電路結(jié)構(gòu)原理

在升壓變換器中Boost 斬波電路應(yīng)用居多，電路由輸入儲(chǔ)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(shè)計(jì)方面具有結(jié)構(gòu)簡單、涉及元器件較少、容易調(diào)試、用途廣泛等特點(diǎn)，尤其在直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方面一直備受關(guān)注。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管VF導(dǎo)通時(shí)，輸入電源Vin通過開關(guān)管VF給升壓電感Lf儲(chǔ)能，此時(shí)負(fù)載由濾波電容Cf供能。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸入電壓和儲(chǔ)能電感Lf共同向負(fù)載提供能量，同時(shí)給電容Cf充電。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(xù)模式和非連續(xù)模式。在一個(gè)工作周期內(nèi)，升壓電感始終保持著儲(chǔ)能和放能的過程，當(dāng)功率開關(guān)管截止時(shí)，電感電流iLf達(dá)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(fù)載提供能量。當(dāng)升壓電感取值太小或者輸出負(fù)載阻值大于一定值時(shí)，斬波電路可能由連續(xù)模式進(jìn)入非連續(xù)模式。

3 DC-DC 升壓控制電路設(shè)計(jì)

3.1 電流型控制模式

控制電路用芯片UC3842B 來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)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(yīng)用而設(shè)計(jì)。該控制芯片在國內(nèi)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，通過調(diào)節(jié)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(hào)Vfb，Vfb與帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的參考電壓Vref經(jīng)過誤差放大器的比較放大后，得到誤差放大信號(hào)Vea，Vea輸入到PWM 比較器的負(fù)端。斜坡補(bǔ)償信號(hào)與電流采樣信號(hào)相互作用后產(chǎn)生的信號(hào)Va輸入到比較器正端，PWM 比較器輸出端產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘控制信號(hào)，通過邏輯控制電路或驅(qū)動(dòng)電路的處理來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。該時(shí)鐘信號(hào)的占空比同時(shí)受到輸出電壓和電感電流的控制[4]。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

為穩(wěn)定輸出預(yù)期目標(biāo)電壓，采用閉環(huán)反饋電流模式控制，控制原理如圖2 所示。

3.3 參數(shù)整定

一個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定輸出，與各器件數(shù)據(jù)規(guī)格有密切的關(guān)系。本設(shè)計(jì)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(dá)95%，開關(guān)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(huì)增大，也會(huì)影響變換器的瞬態(tài)響應(yīng)。為減少紋波信號(hào)干擾，在輸出電路設(shè)計(jì)一個(gè)濾波電容，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，電容值滿足下式：

電容取值越大，濾波效果越好。其余器件規(guī)格如表1所示。

表1 器件參數(shù)

4 測試結(jié)果

基于UC3842B 控制電路在PSⅠM 環(huán)境下搭建模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，改變不同輸入數(shù)據(jù)，測試各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2 中5 組測試數(shù)據(jù)可以看出，輸入電源在2.7～5 V 變化范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定在24 V 左右，波動(dòng)范圍±0.05 V，減小輸入電壓，輸入電流平均值增大，經(jīng)過計(jì)算分析電源效率高達(dá)95%以上，紋波也小于1%，設(shè)計(jì)的電路基本滿足預(yù)期要求。

表2 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)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(wěn)定在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。該控制電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、容易調(diào)試、性價(jià)比高，而且具有過流、過壓、欠壓多種保護(hù)功能。該升壓變換器有廣泛的應(yīng)用前景，派生電路和應(yīng)用領(lǐng)域更有研究價(jià)值和技術(shù)發(fā)展空間。