今天我們一起來學習升壓型(Boost or Step-up)開關電源。
原理
讓我們從下面的這個經典升壓型開關電源電路開始:
經典開關電源電路
實際應用中圖中的開關一般是場效應管,但為了簡單和好理解起見,我們用通用開關符號替代。
假設開始時的開關是斷開的,電流從 10 伏電源流過電感、流過二極管,然后給電容充電。二極管兩側會有一個小小的壓降,我們假設它是 0.5 伏。因此,輸出電容被充電到 9.5 伏。到目前為止,我們還是在降低電壓,且讓我們耐心點。
開關斷開,電容充電
下一步,閉合開關。二極管會阻止電容放電。因此,輸出電壓維持在 9.5 伏:
開關閉合,電壓保持
但是,現在我們有一個從輸入電壓經過電感到地的電流通路:
電流通路
如果我們一直將開關閉合,我們基本上是在通過電感將輸入短路。那樣的話,一些很不好的事情將會發生。
電感被燒掉
我們可不想那么做。我們只是在極短的時間內閉合電感。我們僅僅閉合開關一小段時間,以便剛好足夠一些電流流過電感。當我們這樣做時,我們是在將電能以磁能的形式存儲在電感中。
現在我們在電感中以電磁能的形式存儲了一些能量,我們迅速地斷開開關。
迅速斷開開關
因為電感中的電流不會突然改變,電流只能繼續流過電感、流過二極管,然后流入輸出電容。也就是說,能量從電感傳遞到電容。隨著電感中磁場的崩塌,電容兩端的電壓被升高了。要注意,電子的流動方向是和傳統電流方向相反的,圖中電感的左側會因為電流流動而積累負電荷,相應的,右側就會因為電子流出而出現高電壓。我們的升壓轉換器(Boost Converter)現在已經提高了電壓:
迅速斷開開關 電壓升高
前面說過,我們不希望閉合開關的時間太長,因為時間太長會導致短路。因此,我們用一個高頻的方波(Pulse Width Modulated) 來控制開關的閉合和斷開:
高頻方波控制
通過增加控制方波的占空比,可以加快電容兩端電壓抬升的速度,進而提高輸出電壓。但是, 你如何知道輸出電壓到底是多少呢?課本中可能會看到這個公式(duty cycle 是指占空比):
不管用的公式
這個公式只在電流很小的時候管用,在實際電路中,輸出電壓輸出電壓和方波占空比、電感的大小、開關速度、輸出電路等等都相關。因此,同降壓型(Buck)開關電源一樣,如果我們希望建立一個真實有用的升壓電源,我們需用一個一站式控制芯片。該芯片可以自動調節控制方波的占空比,以確保一個穩定的輸出電壓。
一站式解決方案
我們使用凌力爾特(Linear Technology)的LT1370這款芯片來制作升壓型開關電源:
50瓦電源
電源的輸入和輸出端都接入了電解電容和陶瓷電容,以濾除電流中的高頻信號。這是一種開關電源的常見做法:
濾波電容
為了提高轉換效率,我們使用肖特基二極管,正向壓降越低越好:
肖特基二極管
反饋電阻
Vout 在可調電阻為最大值(10k)時最大:
下面是一些新花樣,這些器件用于控制回路頻率補償,基本上,它們幫助控制器適應輸出電壓的微小變化,以輸出干凈的直流電:
頻率補償
學習如何設計補償電路需要大量復雜的數學運算和控制理論知識,本文不做討論。好消息是,大多數時候您只需使用芯片數據表(datasheet)中的推薦值,您的電路就會跑起來。
穩定回路的方法
焊起來
從把帶有散熱片的主控芯片焊接到洞洞板的中間開始,周圍留下足夠空間,以放置其他器件。保持元件連線短且焊錫足夠粗。
再焊接上輸出電容:
再焊接上反饋電阻,連線越短越好:
最后,在靠近輸入的地方焊接上頻率補償電阻和電容,引腳 3 和 6 懸空即可:
讓我們看看板子的底部。請注意我如何安排組件,以便我可以從輸入到輸出有一個簡單的連續接地。
我將陶瓷輸入濾波電容直接焊接在控制器的輸入引腳上。陶瓷輸出濾波電容和輸出電解電容平行。
跑起來
現在如果你給設備上電,可以將輸入電壓提高到 30 伏。
可以提高到 30 伏
它只能輸出大約 50 瓦的功率,否則設備會過熱。它的輸入電流限制在 5 安培。注意我說的是輸入電流限制,而不是輸出電流限制。比如我們的電源輸出 12 伏電壓,輸出電流為 1安培。因此輸出功率為 12 瓦。
當我用 5 伏直流電作為其輸入時,它的電流達到 2.99 安培:
也就是說,輸入電流高于輸出電流。這是因為我們不能憑空創造出能量。為了提高輸出電壓,我們不得不從輸入攫取更多的電流。總體而言,我們的升壓開關電源能達到 80% 的效率。
最后,值得注意的是,出于安全原因,電路的設計限制為 30 伏輸出,但來自大電容器的 30 伏輸出也會造成一些損壞。
審核編輯:劉清
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