boost升压电路原理
boost升压电路是基本斩波电路之一,是一种输出电压大于等于输入电压的单管非隔离直流变换电路。主要应用于直流电动机传动、单相功率因数校正(PFC)电路及其他交直流电源中。
boost升压电路由直流电压源、电感、开关管、二极管、滤波电容、负载电阻组成,升压电路图如图1所示。
boost电路如何实现升压?
下图所示为升压型(BOOST)电源拓扑的结构示意图:
1. Q1导通时:电流方向为Vdc通过L1和Q1到GND,而负载电流(Io)全部由输出电容器C0提供;所以C0应足够大,以使在Ton时间段内向负载供电时的输出电源电压降满足设计要求;
——Q1导通时电流路径为:从Vdc流到了GND,并没有能量传输到输出端;感觉这不是浪费电能了么?其实理想情况下(不考虑电感器DCR和MOS管导通电阻,P = I2*R = 0)并不会损耗电能,而是将能量储存到了电感器L1中。
2. Q1关断时:由于电感器电流不能突变,电流方向为Vdc通过L1和D1向C0和负载供电,此时C0两端电压高于Vdc;此时Vdc电源和电感器储能(总共两部分)给负载和C0供电(补充电容器C0单独向负载供电时(ton阶段)损失的静电场能);
——Q1关断,经过电感器L1的电流由增加变成减小(电流变化率产生变化),所以电感器的感应电压方向发生转变,即由原来的左高右低(与Vdc抵消)变成左低右高(与Vdc叠加),此时输出电压Vo会高于Vdc。
3. 输入电容器串联电感器,所以输入电容电流是“平滑”的,如下左图所示;
4. 输出电容器串联的是二极管(D1),所以输出电容器的电流是斩波式的,如上右图红色线所示,必然会影响输出电源的波动;——BOOST拓扑的输出电源纹波电流相对BUCK拓扑来说更大,所以对BOOST拓扑的输出电容器有更高的要求:ESR更低、容量更大等。
5. 对于输出电容来说,在稳态下其平均电流为0(同BUCK拓扑),那么BOOST拓扑的平均二极管电流必然等于负载电流,所以Id_avg = Io=IL*(1-D),IL= Io/(1-D),这是平均电感器电流和负载电流的关系。
6. 输出电压的调整是通过反馈环路控制Q1的导通时间Ton来实现的,若直流负载电流Io上升,则导通时间Ton会自动增加为负载提供更多的能量。
同样,根据BOOST拓扑也可以通过伏秒定律来推导直流传递函数:
Von = Vin – Vsw,Voff = Vo + Vd – Vin,Von*Ton = Voff * Toff,
那么1/D = T/Ton = (Toff+Ton)/Ton = (Vo+Vd-Vsw)/(Vo+Vd-Vin),
所以D = (Vo+Vd-Vin)/ (Vo+Vd-Vsw),
如果MOS管压降(Vsw)和二极管压降(Vd)相比输入/输出电源电压都很小,
那么D ≈ (Vo-Vin)/Vo,输出与输入之间的关系为:Vo = Vin* [1/(1-D)]。
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