升壓電路電壓總是升得不夠高怎么辦?
發(fā)布時(shí)間:2019-04-19 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】電子設(shè)備中使用升壓轉(zhuǎn)換器 (Boost Converter),可以讓低電壓產(chǎn)生高電壓。在升壓轉(zhuǎn)換器現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,往往既要達(dá)到更多的電流需求,又要實(shí)現(xiàn)高效率和低輸出紋波,同時(shí)又要滿(mǎn)足電路尺寸小巧等要求,因此一種理想的解決方案就是采用多相輸出的升壓控制電路。
升壓轉(zhuǎn)換器原理
圖1顯示了升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi),開(kāi)關(guān)S1閉合,能量在線圈L中存儲(chǔ)。電感上的電流隨輸入電壓和地電位的差值呈線性增加。在關(guān)閉期間,當(dāng)S1打開(kāi)并且S2關(guān)閉時(shí),存儲(chǔ)在電感上的能量被釋放輸出。在此時(shí)間段內(nèi),電感上兩端的電壓對(duì)應(yīng)于輸出電壓減去輸入電壓。
圖1:用于從低電壓產(chǎn)生高電壓的升壓拓?fù)洹?/div>
為了使這種相互作用發(fā)揮作用,必須有足夠的時(shí)間讓電感進(jìn)行充電和放電。通過(guò)控制回路,可以想像:當(dāng)需要更多的能量輸出時(shí),這意味著必須從輸入端輸出更多的能量。這時(shí),電感必須存儲(chǔ)更多的能量,開(kāi)關(guān)S1便必須閉合( closed-circuit )更長(zhǎng)時(shí)間。 但是,對(duì)于固定的開(kāi)關(guān)頻率,會(huì)導(dǎo)致在開(kāi)路期間( open-circuit )內(nèi)從電感上獲取能量的可用時(shí)間更少,結(jié)果造成輸出電壓下降到設(shè)定的目標(biāo)值。這正是升壓拓?fù)涞南拗?。通過(guò)這個(gè)概念,在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會(huì)受限制。在典型應(yīng)用中,最大升壓因子( Boost Factor )介于3和7之間。
圖2:升壓因子和相應(yīng)的占空比( DutyCycle )的關(guān)系曲線圖
圖2中曲線的變化真實(shí)地顯示出輸出端負(fù)載電阻和電感的直流電阻的改變,對(duì)升壓因子造成的影響。假設(shè)負(fù)載電阻為100Ω,48V的輸出電壓,這對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流480mA。當(dāng)電感的串聯(lián)電阻(DCR)只有2Ω,最大升壓因子是有可能剛好超過(guò)3; 但對(duì)于DCR為1Ω,略高于5的升壓因子是可以實(shí)現(xiàn)的。如要求更高的升壓因子,就必須選用具有更低的串聯(lián)電阻值的電感。
升壓轉(zhuǎn)換器電感的選擇
電感值的選擇很重要,因?yàn)樗鼪Q定了電感上的電流紋波,從而決定了輸出端的電壓紋波。根據(jù)圖1,平均電感電流IL,AVE由下式給出。
其中xD是占空比 (Duty Cycle); ILOAD是負(fù)載電流。
峰值電感紋波電流與電感值成反比:
當(dāng)中fSW是開(kāi)關(guān)頻率; L是電感值。
假設(shè)升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式 ( Continuous Conduction Mode, CCM) 下工作,峰值電感電流可從公式(1)和(2)得出,具體計(jì)算如下:
較小的電感值的器件通常體積較小,較便宜,但根據(jù)公式(3)可以知道這樣會(huì)增加紋波電流,較大的紋波電流也會(huì)增加電感器內(nèi)核的功率損耗。電感值太大會(huì)導(dǎo)致額外費(fèi)用,另外,如應(yīng)用于電流模式控制(current-mode control)時(shí),過(guò)大的電感值也會(huì)降低斜率補(bǔ)償(Slope-Compensation)線路在高占空比 ( >50 % ) 時(shí)的效益。
多相輸出的的優(yōu)勢(shì)
而另一個(gè)獲得較高升壓因子的方案就是使用多相 (Multi Output Phases)。以ADI公司的LTC7840芯片為例,當(dāng)中包含兩個(gè)升壓控制器。這使得實(shí)現(xiàn)兩相升壓概念變得容易。圖三顯示了電源電壓為12V的示例,輸出升壓至240V電壓。兩相升壓級(jí)將電壓分開(kāi)增加,使得每級(jí)僅需要將電壓增加約4.5倍。
圖3:兩相概念:用于從低輸入電壓產(chǎn)生極高輸出電壓
比較使用單相升壓轉(zhuǎn)換器,多相輸出有更高的效率,更小的尺寸和更低的電容器紋波電流的優(yōu)勢(shì)。更高的有效開(kāi)關(guān)頻率和相位紋波電流可顯著降低濾波電容的尺寸和成本,并降低輸出紋波。
多相輸出升壓控制器選型
Digi-Key官網(wǎng)上,升壓控制器篩選列表參數(shù)中提供了不少參數(shù)選項(xiàng)以協(xié)助工程師選料,其中“輸出階段”便是其中之一。“輸出階段”即代表芯片可以有多少相輸出。
篩選列表中的參數(shù)選項(xiàng)多,意味著工程師在選料時(shí)更能了解其他參數(shù)的可選擇性,例如“輸出類(lèi)型”、“串行接口”或“封裝”等這些對(duì)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)重要的參數(shù)指標(biāo),同時(shí)也可清楚地展現(xiàn)出物料的市場(chǎng)導(dǎo)向。
圖4:Digi-Key官網(wǎng)上升壓控制器部份參數(shù)選項(xiàng)
例如在查找四相輸出升壓控制器時(shí),得出Renesas公司的ISL78225ANEZ,再經(jīng)搜尋功能中“零件比較”的協(xié)助(如何比較?可訪問(wèn)Digi-Key官網(wǎng)中「隱藏的搜索秘密」的零件搜索小技巧!)
圖5:ISL78225ANEZ與LTC7840EUFD#PBF芯片的參數(shù)比較
總結(jié)
傳統(tǒng)的“單相輸出”升壓轉(zhuǎn)換器線路中,雖然線路簡(jiǎn)單,但在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會(huì)受限制,所以在要求更高升壓因子的應(yīng)用中,“多相輸出”是一個(gè)可行的選擇。市場(chǎng)上已有包含“多相輸出”的單芯片可供選擇。
與單相轉(zhuǎn)換器比較,使用多相輸出還可獲得更高效率、更小尺寸和更低電容器紋波電流等優(yōu)勢(shì),更高的有效開(kāi)關(guān)頻率和相位紋波電流可顯著降低濾波電容的尺寸和成本,并降低輸出紋波。
原創(chuàng):DigiKey 作者:Kevin Chow
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