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升压转换器:基础设计工作和操作知识

升压转换器原理图

升压转换器

 

我们都遇到过令人讨厌的情况,我们需要比电源所能提供的电压略高。我们需要12伏,但只有9伏电池。或者,当我们的电源IC需要5V时,我们有一个3.3V的电源。在大多数情况下,目前的平局也相当不错。

最终,我们问自己一个问题,是否有可能将一个直流电压转换为另一个直流电压?

幸运的是,答案是肯定的。可以将一个直流电压转换为另一个直流电压,但是,这些方法稍微聪明一些。

不,它不涉及将DC转换为AC并再次转换。因为它涉及太多的步骤。任何步骤太多的东西都是低效的;这也是一堂美好的人生课。

进入开关模式DC-DC转换器的世界!

它们被称为开关模式,因为通常有一个半导体开关可以非常快速地打开和关闭。


什么是升压转换器?

升压转换器PCB板

 

升压转换器是最简单的开关模式转换器类型之一。顾名思义,它需要一个输入电压并增强或增加它。它只包括一个电感器,一个半导体开关(现在它是一个MOSFET,因为现在你可以得到非常好的),一个二极管和一个电容器。还需要周期性方波的来源。

 

升压转换器原理图

 

如您所见,制造升压转换器只需要几个器件。它比交流变压器或电感器更不笨重。

它们之所以如此简单,是因为它们最初是在20世纪60年代开发的,目的是为飞机上的电子系统供电。要求这些转换器尽可能紧凑和高效。

升压转换器的最大优势是它们的高效率 - 其中一些甚至可以高达99%!换句话说,99%的输入能量被转换为有用的输出能量,只有1%被浪费。

 

升压转换器如何工作?

是时候深吸一口气了,我们即将陷入电力电子的深处。我一开始就要说,这是一个非常有益的领域。

要了解升压转换器的工作原理,您必须了解电感器、MOSFET、二极管和电容器的工作原理。

有了这些知识,我们可以逐步完成升压转换器的工作。

 

步骤 – 1

在这里,没有任何反应。输出电容器被充电至输入电压减去一个二极管压降。

 

升压转换器原理图

 

步骤 – 2

现在,是时候打开开关了。我们的信号源变高,打开MOSFET。所有电流都通过电感器分流到MOSFET。请注意,输出电容保持充电状态,因为它无法通过现在背偏置的二极管放电。

当然,电源不会立即短路,因为电感器使电流上升相对缓慢。此外,电感周围还会积聚磁场。注意施加在电感器上的电压的极性。

 

升压转换器原理图

 

步骤 – 3

MOSFET关断,电感器的电流突然停止。

电感器的本质是保持顺畅的电流流动。它不喜欢电流的突然变化。所以它不喜欢突然关闭电流。它通过产生一个大电压来响应这一点,其极性与最初提供给它的电压相反,使用存储在磁场中的能量来维持电流流动。

如果我们忘记了其余的电路元件,只注意到极性符号,我们注意到电感器现在就像一个与电源电压串联的电压源。这意味着二极管的阳极现在处于比阴极更高的电压(请记住,电容在开始时已经充电以提供电压),并且是正向偏置的。

输出电容现在充电到比以前更高的电压,这意味着我们已经成功地将低直流电压提高到更高的电压!

 

升压转换器原理图

 

我建议您再次非常缓慢地完成这些步骤,并直观地理解它们。

这些步骤发生数千次(取决于振荡器的频率),以在负载下保持输出电压。


升压转换器操作 - 要点

到现在为止,你们中的许多人已经对这种过于简化的解释有疑问。遗漏了很多东西,但让升压转换器的工作绝对清晰是值得的。因此,既然我们已经有了这种理解,我们就可以继续讨论更精细的细节了。

 

1. 振荡器。您不能永远保持 MOSFET 输出开关打开,没有一个电感器是理想的 - 它们具有饱和电流。如果我们确实将MOSFET开关保持打开的时间超过几百微秒,则电源将短路,电感绝缘层将烧毁,MOSFET会破裂,并发生其他令人讨厌的事情。我们利用对电感器的了解来计算达到合理电流(例如,一安培)所需的时间,然后相应地配置振荡器的导通时间。这导致电感电流波形看起来像锯边,因此得名锯齿。

 

升压转换器数据图

 

2. MOSFET本身。如果仔细观察,在步骤3中,MOSFET看到的电压是电源电压加上电感电压,这意味着MOSFET的额定电压必须为高电压,这再次意味着相当高的导通电阻。升压转换器设计始终是MOSFET击穿电压和导通电阻之间的折衷方案。升压转换器的开关MOSFET始终是弱点,正如我从寒冷而艰难的经验中学到的那样。升压转换器的最大输出电压不受设计限制,而是由MOSFET的击穿电压限制。

 

3.电感器。显然,任何旧的电感器都不起作用。升压转换器中使用的电感器应能够承受高电流并具有高磁导率的磁芯,因此给定尺寸下的电感很高。

 

升压转换器操作
还有另一种思考升压转换器工作的方式。

我们知道,存储在电感器中的能量由下式给出:

½ x L x I2


其中L是线圈的电感,I是最大峰值电流。

因此,我们将一些能量从输入存储在电感器中,并将相同的能量传输到输出,尽管电压更高(显然,功率是守恒的)。这种情况每秒发生数千次(取决于振荡器频率),因此能量在每个周期中都会累积,因此您可以获得可测量且有用的能量输出,例如每秒10焦耳,即10瓦。

正如方程告诉我们的那样,电感中储存的能量与电感成正比,也与峰值电流的平方成正比。

为了提高输出功率,我们的第一个想法可能是增加电感器的尺寸。当然,这会有所帮助,但并不像我们想象的那么多!如果我们使电感变大,则在给定时间内可以达到的最大峰值电流会减少,或者达到该电流所需的时间会增加(请记住基本方程V / L = dI / dt),因此总输出能量不会显着增加!

但是,由于能量与最大电流的平方成正比,因此增加电流将导致输出能量的更大增加!

因此,我们理解选择电感器是电感和峰值电流之间的良好平衡。

有了这些知识,我们就可以理解设计升压转换器的正式方法。

 

升压转换器设计

步骤 – 1

首先,我们需要彻底了解负载需要什么。强烈建议(根据经验)如果您尝试在开始时构建升压转换器,那么独立了解输出电压和电流非常重要,其乘积就是我们的输出功率。

 

步骤 – 2

一旦我们有了输出功率,我们就可以将其除以输入电压(也应该决定)以获得所需的平均输入电流。

我们将输入电流增加40%以考虑纹波。这个新值是峰值输入电流。

此外,最小输入电流是平均输入电流的0.8倍,因此将平均输入电流乘以0.8。

现在我们有了峰值和最小电流,我们可以通过减去峰值和最小电流来计算电流的总变化。

 

步骤 – 3

现在我们计算转换器的占空比,即振荡器的导通和关断时间之比。

占空比由以下教科书式给出:

D.C. = (Vout – Vin)/(Vout)

这应该给我们一个合理的十进制值,高于0但低于0.999。

 

步骤 – 4

现在是时候决定振荡器的频率了。这已作为单独的步骤包含在内,因为信号源可以是555定时器(频率和占空比完全由您控制)或固定频率PWM控制器中的任何信号源。

一旦确定了频率,我们就可以通过取反函数来找出总时间段。

现在,将时间段乘以占空比值以获得准时。

 

步骤 – 5

由于我们已经确定了导通时间、输入电压和电流变化,我们可以将这些值插入电感公式中,该公式已经过重新排列:

L = (V*dt)/dI

其中V是输入电压,dt是导通时间,dI是电流的变化。

如果电感值不是常用值,请不要担心,请使用最接近的标准值。稍作调整,系统应该可以正常工作。

 

零件选择

1. 开关晶体管

我没有提到类型,因为它完全基于应用程序。当然,MOSFET现在用于所有应用,因为它们非常高效,但在某些情况下,由于简单性,普通的双极晶体管可能就足够了。

我将重复我之前说过的话 - 选择击穿电压高于转换器最大输出电压的晶体管。

查看 MOSFET 数据手册并确定输入电容/栅极电容也可能是一个不错的选择。此值越低,驾驶要求越简单。任何低于3500pF的东西都是可以接受的,并且适度容易驾驶。

我个人的选择是IRF3205,它的导通电阻为8毫欧姆,击穿电压为55V,输入电容为3247pF,此外还是一个容易获得的部件。

原理图中也没有提到专用的MOSFET栅极驱动器。同样,我*强烈建议*使用一个。这将为您节省大量损失和时间。我的推荐 – TC4427。它在一个 DIP8 封装中集成了两个驱动器,可轻松并联以获得更大的驱动电流。

 

2. 输出二极管

虽然这似乎微不足道,但在我们正在处理的电流(或有时是电压)下,二极管的选择在效率方面起着重要作用。

不幸的是,普通的1N4007将无法工作,因为它太慢了。强壮的1N5408也不会。我在我参与的设计上都尝试过,由于速度太慢,两者都表现得很糟糕。甚至不值得尝试。

我使用的是UF4007,额定电压与1N4007相同(反向1000V)。

如果您正在构建一个低压转换器(例如3.3V至5V),那么选择的二极管将是肖特基,如1N5822。

 

结论

我觉得,读这篇文章,就相当于坐着看一场电力系统讲座,希望能让你更有见识。与往常一样,最好的学习方法是实际构建一些东西。现在,您已经具备了构建和使用升压转换器所需的知识!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-13 14:18