电源设计说明：您的第一个升压转换器

升压转换器对设计人员来说是有用的设备，因为它们解决了低、中和高电压下的许多电源问题。如果需要达到某个电压，该电压可能高于可用电压，升压转换器将解决该问题。升压转换器或升压转换器无非是直流 (DC) 到直流 (DC) 转换器，它增加输入电压以在输出负载上获得更高的电压。显然，要付出的代价是可用电流的减少，因为功率 P = V * I 不能改变。

升压转换器的工作原理

升压转换器是一类开关电源，它包含两个有源半导体元件（一个二极管和一个晶体管或 MOSFET）和一些储能元件，如电容器和电感器（参见图 1 中的原理图）。为了降低电压纹波，可以在转换器的输出端添加由电容器组成的滤波器。电压增益取决于占空比、电感值、输入电压、开关周期和输出电流。在系统中，开关元件有两种不同的逻辑状态：

• 在ON状态下，MOSFET关闭，电感上的电流增加；
• 在关断状态下，MOSFET 开路，电感电流流过二极管、电容器和负载。

如果开关元件工作非常快，电感器不会完全放电，即使MOSFET开路，也会始终存在高于输入电压的电压。在关断期间，阻塞二极管可防止电容器通过 MOSFET 放电。这整个过程必须非常迅速地发生。
 

图 1：升压转换器的基本图

要设计的升压模型

我们的DC/DC升压器必须具备以下电气特性：

• 输入电压：12 VDC；
• 输出电压：24 VDC；
• 功率：150 瓦；
• 开关频率：30 kHz。

理论上，可以使用两个串联的 12 VDC 电池，但系统的尺寸、重量和成本会急剧增加。开关频率超过人类听觉阈值，避免产生任何啸叫声。使用的在线计算器能够生成完整的摘要（见图 2），其中显示了电路的所有主要特性。

图 2：在线计算器生成的有用摘要页面

在线计算器

升压电路的质量取决于许多因素，首先是使用的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管的类型。组件的大小调整非常复杂，必须包括许多静态和动态行为。为了方便设计人员的工作，有许多在线工具和计算器可以帮助计算接线图中要使用的元素。其中之一是由 Cree 的子公司 Wolfspeed 提供的强大的“SpeedFit 2.0 设计模拟器”。它把电源的设计分为几个步骤：

• 转换器类型的选择（DC/DC、AC/DC、DC/AC）；
• 数据输入（电压、功率和开关频率）和子类别的选择（这个选择也显示了原理图）；
• 选择 SiC 器件（MOSFET、二极管和任何模块）；
• 系统热参数的选择（有关散热器的信息，例如绝缘、温度、热阻、时间常数、环境温度和任何其他热源）；
• 执行仿真，其中显示了所用组件的值以及电压和电流的曲线图，如图3所示；
• 制作最终总结，其中突出显示了电路的所有细节，包括电压、功率和电流数据、使用的半导体器件、运行损耗和一些热数据。

该计算器还包括一个指南，详细描述了要遵循的所有操作。
 

图 3：在线计算器允许非常简单快速地配置转换器

项目方案

在Web 计算器中输入所有信息后，系统立即提供结果和要使用的组件的值，如图4所示。LTspice 仿真软件也复制了相同的接线图，用于执行不同的静态和动态仿真。请记住，使用 LTspice（或其他模拟器）进行复杂的模拟并且存在电感器和外部组件的速度非常慢，可能需要几个小时才能获得最终结果。使用的电气元件如下：

• V1：12V电池；
• V2：0-15V（零峰值）方波发生器，频率为30 kHz，占空比为50%。MOSFET 数据表将 15 V 的电压指定为推荐的栅极电压；
• R1：负载；
• R2：电阻为2.5欧姆；
• L1：0.5mH的电感；
• C1：200uF电解电容；
• U1：C3M0060065D 碳化硅MOSFET；
• U2：肖特基二极管 C3D16060D（图中使用了另一个性能更好的型号 E4D20120G）。

该站点为用户提供了 MOSFET 和肖特基二极管的 SPICE 模型，准备好与他们最喜欢的电子仿真程序合并和使用。引脚“Tc”和“Tj”分别保留用于设置元件容器温度和结温。这将在即将发布的教程中介绍。
 

图 4：Boost 转换器的接线图，由 Speedfit 计算器提出并用 LTspice 绘制

模拟输出电压

第一个有趣的模拟涉及验证 24 V 的输出电压，该电压为标称电压，因为它实际上会略低。在负载 R1 和电解电容器 C1 的末端进行的仿真大约需要四分钟（SPICE 模型非常复杂）。相对电压瞬态图完整地显示在图 5 中。真正的瞬态在大约 7 毫秒内结束。之后，电源将完全运行并正常工作。如您所见，该图还显示了在线模拟器的响应曲线，与 LTspice 的结果完美对应。
 

图 5：Boost 转换器的输出电压几乎是输入电压的两倍

开关电源的缺点之一是由于电子元件内部出现的快速开关信号，它们会产生噪声和干扰。添加到输出的适当过滤器可消除或减轻此问题。从图 6 中的频谱图可以看出，输出信号显示了以下谐波，但大多数负载都可以容忍这些谐波：

• 30 kHz (-20 dB)；
• 90 kHz (-37 dB)；
• 150 kHz (-45 dB)；
• 210 kHz (-51 dB)；
• 270 kHz (-55 dB)；
• 330 kHz (-61 dB)；
• 390 kHz (-64 dB)；
• 等等。

这些是具有非常低实体的谐波，在线性范围内根本无法察觉。您只会看到 30 kHz (94 mVRMS)、90 kHz (12 mVRMS) 和 150 kHz (5 mVRMS) 的谐波。

图 6：由于有源元件的切换而导致的输出信号谐波

效率

开关转换器电路最重要的数据之一无疑是效率。更高的效率意味着更多地使用可用能源和更少的损失，从而降低成本并保持环境清洁。计算电路效率的公式非常简单：

尤其是关于我们的电路：

模拟返回的效率值为 87.05%，与在线计算器上预期和显示的 88.81% 差别不大。12 ms 瞬态下的效率图如图 7所示。

图 7：电路效率的瞬态图

结论

升压转换电路的基本版本非常简单，也可以使用任何类型的分立元件执行。为了提高其性能，选择高质量组件始终很重要，这些组件具有逻辑状态的高切换速度、管理高电流的高能力和低 Rds (on) 以最小化功率和散热的特点。该电路以其最小和通用版本表示。它可以根据您的需要进行修改。


审核编辑：刘清