开关电源中的BUCK变换器,它是一种降压型的变换器拓扑结构,但是也有很多场合下我们需要升压型的拓扑结构,这就是本节我们将要讲述的Boost变换器,通过它获得的直流输出电压值比输入直流电压值要高。
在讲解BOOST变换器之前,我们先了解一下开关电源的分类,开关电源有很多种分类,拓扑结构也是一种分类的依据,这里我们介绍根据输入-输出电压类型(直流或交流)的分类方式,即“DC-DC”、“DC-AC”、“AC-DC”、“AC-AC”。其中,DC(Direct Current)表示直流电,AC(Alternating Current)表示交流电,因此,DC-DC即直流-直流变换器,表示输入与输出电压都是直流,BUCK与BOOST变换器就属于这一类,通过这一类变换器我们可以获取各种输出直流电压(降压或升压),如下图所示:
顾名思义,“DC-AC”即表示输入是直流电而输出是交流电,通常我们都希望将交流电处理成直流电来使用,而“DC-AC”则恰恰相反,因此也称它为“逆变器”,比如,我们可以通过它把电池组的低压转换成交流电220V@50Hz交流电再供给其它用电器,如下图所示:
上述两种模块一般工程师接触得更多一些,像我这样的普通老百姓用得最多的还是“AC-DC”模块,手机充电器就是其中之一。对于大多数的开关电源模块,“AC”指的就是网电220V@50Hz交流电,也就是家里给电视机、电脑、电灯泡、手机充电器等用电器提供能源的电能,而在开关电源内部,交流电是无法直接使用的,必须先用整流电路(桥式整流最常用)将其处理成直流电,再配合相应的变换电路即可获得各种输出直流电压,亦即“AC-DC”模块实质上可以看成是“AC-DC-DC”模块,如下图所示:
同样,“AC-AC”变换器可以看成是“AC-DC-AC”变换器,也称为“变频器”,即输入输出都是交流电,但频率是不一样的,如下图所示:
这种分类方式有助于我们进一步理解开关稳压电源,因为后续会涉及到很多的拓扑结构的变换器。下面我们来看看BOOST变换器(DC-DC变换器)。
需要注意的是:BUCK变换器中的很多概念,如占空比、PWM/PFM、效率、纹波、损耗、同步整流等等(包括后面讲到的伏秒法则)与BOOST变换器都是通用的(亦即概念都适合于其它变换器),因为开关电源的概念实在是太多了,集中在一节讲述不太适合消化,因此,如果在叙述上不是特别必要,将不会重新介绍,以免占用篇幅。
基本的BOOST变换器拓扑电路如下图所示:
与BUCK变换器类似,BOOST变换器也是由电感、电容、二极管组成,只不过位置有点不一样,其中,开关K1代表三极管或MOS管之类的开关管(本文以MOS管为例),通过矩形波控制开关K1只工作于截止状态(开关断开)或导通状态(开关闭合)。
下面我们来看看BOOST转换电路的工作原理(假设高电平开关闭合,低电平开关断开)。
当开关K1闭合时,电感L1对公共地是短路的,因此输入电源VI的能源储存在电感L1中,而输出负载的能源仅由电容C1提供。
当开关K1断开时,输入电源VI通过电感L1、二极管D1对电容C1充电的同时对负载提供能源,各位看官注意此时电感的极性,相当于输入电源VI与电感自感应电压VL1串联后对负载进行供电,这就是BOOST变换器能够升压的本质,此时等效图如下所示:
相关波形如下图所示:
上面这张图与BUCK是一样的,我们同样可以通过控制开关K1的导通时间(占空比)即可控制输出电压的大小(平均值),当控制信号的占空比越大时,输出电压的瞬间峰值越大,则输出平均值越大,反之,输出电压平均值越小。
根据电感电流的状态,我们可以把BOOST变换器(其它类型的开关电源也一样)分为三种工作模式。如果在矩形波控制信号每一个新的周期T到来时,电感电流IL都从不为零,则此模式为连续导通模式(Continuous Conduction Mode ,CCM),如下图所示:
相应的,如果在矩形波控制信号每一个新的周期T到来前,电感电流IL就已经为零,则此模式为断续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM),如下图所示:
而如果在矩形波控制信号每一个新的周期T到来时,电感电流刚刚降为零,则此模式为临界导通模式(Boundary Conduction Mode,BCM),如下图所示:
很明显,对于一个稳定的开关电源方案,无论它处于哪种工作模式,电感电流IL在每个周期的电感电流IL起始值应该都是一样的,亦即新周期内储存的能量等于新周期内释放的能量,我们通常用伏秒平衡法则来描述这种稳定状态,即:
V on ×t on =V off ×toff
上式就是说:稳定状态下,电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感电压乘以关断时间,如下图所示:
BOOST变换器的纹波概念与BUCK变换器是一致的,但是要注意的是:在相同的条件下(如开关频率、电感量、电容量等因素)BOOST变换器的纹波要大于BUCK变换器,因为前者在开关K1闭合时负载仅由电容C1提供能源,而后者总是电感与电容共同给负载提供能源,因此通常情况下,BOOST变换器的输出直流电压不会直接驱动芯片之类电路,而是先用BOOST升压后再用BUCK变换器或LDO等器件进行降压后给集成芯片供电,如下图所示:
这种电源方案在很多手持设备上都是一样的,比如手机、MID、MP3等等,通常锂电池都的最高电压约为4.2V,而3.7V时的续航能力是最强的,如果去掉BOOST变换级电路也是可以用的,即少了一级BOOST升压电路,降低了成本。
但是存在问题是:电池的续航能力差,亦即电池能源不能被充分地利用,现如今,大多数处理器集成芯片的IO引脚都需要3.3V电源,我们虽然可以用LDO从锂电池中得到3.3V,但当3锂电池放电到3.7V时,LDO就不一定能稳定地工作了(压差只有0.4V),就算勉强还可以工作,那锂电池放电到3.3V及以下呢?
LDO此时肯定无法工作,加入升压电路后,选择合适的升压芯片,就算锂电池低于3.3V也可以升压到5V,后级电路同样可以正常工作,爽歪歪!当然,成本自然要高一些,毕竟鱼和熊掌不可得兼,但续航能力关乎用户的首要体验,因此加入一级升压电路是值得的。
另外,大功率开关电源要求必须使用PFC(功率因数校正)提升电路的功率因数,这样提高网电能源利用率的同时,防止开关电源的无功分量高次谐波污染电网,而主动PFC一般都是BOOST升压变换器,因为它的输入电流是连续的,相对BUCK变换器而言更容易实现高功率因素,而且与上面的理由相似,可以适用于更宽范围的输入交流电压,细节我们在后续章节再讲述。
与BUCK变换器一样,对于具体的BOOST拓扑升压芯片,厂家都会提供典型的应用电路及相关的参数值,如下图所示为TI公司的集成升压芯片LM2577典型应用电路图:
LM2577的内部开关频率为52KHz,相应的也有超过MHz的开关频率芯片(开关频率越高则相应的纹波越小)
52KHz的开关频率真的不是很高(太低了LL),我们用下图所示的电路参数进行仿真:
其中,信号发生器XFG1设置驱动峰值电压为12V,频率为150KHz(可以把结果与BUCK变换器进行对比),占空比50%,如下图所示:
而监测的电路参数主要是电感后的电压、电感电流及输出电压(理论计算应为24V),我们看看下图所示的仿真结果:
其中,红线表示电感电流(处于CCM模式),蓝线表示电感的电压,绿线表示输出电压(其值为23.7V)。看起来输出电压还是比较稳定的,我们将输出电压曲线放大一下并测量一下其纹波值,如下图所示:
纹波峰峰值为4.65mV,还是比较低的,但比起BUCK变换器还是要大一倍,尽管我们把开关频率值上调到150KHz,而且将电容电感值都增加几倍,但神通不及天数,胳膊最终扭不过大腿。
尽管如此,BOOST变换器在很多场合也有其广泛的应用,比如LED驱动(如液晶模块LED背光),下图来自TI的LED驱动芯片TPS61169数据手册
大多数LED背光驱动都是这种BOOST变换器结构,以恒流的方式驱动多个LED灯,通过设置电阻RSET值即可调整背光的亮度(即调整LED灯电流),我们看看它的特性:
输入电压可低至2.7V,适合于锂电池升压,亦即可用于手机之类的含有锂电池的电子设备,开关频率为1.2MHz及超过90%的转换效率,这里有一个软启动,我们将在后续再讲解。
我们用下图所示电路参数仿真看看BOOST变换器的效率。
根据上图仿真结果,则有:
这转换效率爆表呀(这只是仿真结果),至于损耗相关的知识点可以参考BUCK变换器,此处不再赘述。
下图为TPS61169的PCB布局布线参考图:
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