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[经验] 手把手教你设计超低压差的BOOST变换器

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    [LV.3]偶尔看看II

    发表于 5 天前 |显示全部楼层
    在实际的应用中,电子系统会遇到一些超低压差的BOOST变换器,如基于USB供电的系统,由于考虑到USB线上的压降,会采用一个升压的BOOST变换器,将电压升到5V以上,如5.15V,5.2V或5.25V。通常USB口由于输出负载的影响以及主机USB电源管理功能的差异,其电压会在4.75V到5.1V之间波动,对于从4.5-5.1V的输入升到输出为5.15V的BOOST变换器,当输入为最高的5.1V而输出5.15V时,设计就会有遇到一些问题。在本文中将讨论这种变换器设计的问题,并给出相应的方案,从而为电子工程师提供一些设计的指导。
    1 超低压差Boost变换器的设计问题
    基本常规的Boost变换器的结构见图1所示,功率MOSFET为主开关管,D 为输出 升压二极管,如果把二级管换为功率MOSFET,则为同步 Boost变换器。
    图1:Boost变换器
    在开关管导通时,电感激磁,电感电流线性增加存储能量,输出电容提供全部的输出负载电流。
    (1)
    开关管关断时,电感去磁,电感电流线性降低加,输入电源和电感向输出负载提供能量。
    (2)
    由(1)、(2)上两式可以得到:
    (3)
    若Vin= 5.1V,Vo= 5.15V,VF= 0.4V,可以得到:D=8.1%。
    电流模式的BOOST变换器,电流检测信号有一定的延时,同时为了消除开通前沿的电流尖峰导致内部信号误动作,电流检测信号通常都设有前沿消隐时间LEB,这也是PWM控制器固定的最小导通时间 [1] ,一般在50-250nS的范围 。
    若BOOST变换器的开关频率为1MHz,LEB=100nS,从5.1V升到5.15V的导通时间为=81nS,小于系统的100nS值,这时候,在每个导通的周期,输出电压会冲到很大的值,PWM控制区器将进入跳脉冲的工作状态[2] ,输出电压纹波很大,如果BOOST变换器没有输出过压保护功能或这个功能保护时间慢,输出电压的过冲有可能会损坏后面的芯片。
    2 解决方案
    由于PWM的最小导通时间是系统固有的值,不可以改变,从公式(3)可以得出:增大占空比或减小开关频率,可以提高在最高输入电压时导通时间Ton,从而使实际的最小Ton的大于系统固有的最小导通时间Ton(min),这样输出电压就一直处于调节的范围,系统不会进入跳脉冲模式。
    如果Boost变换器的开关频率可以从外面来设定,那么就可以调整开关频率。在一些手持式系统中,一般会采用尽可能高的开关频率,以减小相应的电感和输出电容的体积,从而降低系统的体积并降低系统的成本。因此工程师一般不会采用低的开关频率。
    同时,目前许多单芯片集成MOSFET 的Boost变换器的开关频率是固定的,以去掉外置的电容和IC的一个管脚。这样一来,开关频率无法从外面进行调整,只有想方法增大占空比。
    从公式(3)可以看出,提高VF的值可以增大占空比,那么就可以采用图2的方法,输出串联一个二极管,从而提高最小的 占空比值。
    图2:增大BOOST变换器最小占空比
    此时,占空比为:。
    同样,若 Vin=5.1V,Vo=5.15V,VF=0.4V,可以得到:D=14.3%。串联一个二极管后,占空比从8.1提高到14.3, 导通时间为143 nS,大 于系统的100nS值。 这种方法的缺点是额外的增加一个元件,同时系统效率降低。
    3 结论
    通过在输出额外的串联一个二极管可以提高系统的最小占空比,避免系统进入跳脉冲的工作状态,产生大的纹波,适合于开关频率固定,超低压差的BOOST变换器。额外串联的二极管降低系统的效率。



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