淺談Boost升壓電路的原理及設計

UC3S42是一種電流型脈寬調制電源芯片，價格低廉，廣泛應用于電子信息設備的電源電路設計，常用作隔離回掃式開關電源的控制電路，根據UC3842的功能特點，結合Boost拓撲結構，完全可設計成電流型控制的升壓DC/DC電路，且外接元器件少，控制靈活，成本低，輸出功率容易做到100W以上，具有其他專用芯片難以實現的功能。

1 UC3842芯片的特點

UC3842工作電壓為16~30V，工作電流約15mA。芯片內有一個頻率可設置的振蕩器;一個能夠源出和吸入大電流的圖騰式輸出結構，特別適用于MOSFET的驅動;一個固定溫度補償的基準電壓和高增益誤差放大器、電流傳感器;具有鎖存功能的邏輯電路和能提供逐個脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達100%。另外，具有內部保護功能，如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區時間等。

由UC3842設計的DC/DC升壓電路屬于電流型控制，電路中直接用誤差信號控制電感峰值電流，然后間接地控制PWM脈沖寬度。這種電流型控制電路的主要特點是：

1)輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化，電感電流自動調整而不需要誤差放大器輸出變化，改善了瞬態電壓調整率;

2)電流型控制檢測電感電流和開關電流，并在逐個脈沖的基礎上同誤差放大器的輸出比較，控制PWM脈寬，由于電感電流隨誤差信號的變化而變化，從而更容易設置控制環路，改善了線性調整率;

3)簡化了限流電路，在保證電源工作可靠性的同時，電流限制使電感和開關管更有效地工作;

4)電流型控制電路中需要對電感電流的斜坡進行補償，因為，平均電感電流大小是決定輸出大小的因素，在占空比不同的情況下，峰值電感電流的變化不能與平均電感電流變化相對應，特別是占空比，50%的不穩定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差，即使占空比50%，也可能發生高頻次諧波振蕩，因而需要斜坡補償，使峰值電感電流與平均電感電流變化相一致，但是，同步不失真的斜坡補償技術實現上有一定的難度。

2 Boost電路結構及特性分析

2.1 由UC3842作為控制的Boost電路結構

由UC3842控制的Boost拓撲結構及電路分別如圖1和圖2所示。

圖2中輸入電壓Vi=16~20V，既供給芯片，又供給升壓變換。開關管以UC3842設定的頻率周期開閉，使電感L儲存能量并釋放能量。當開關管導通時，電感以Vi/L的速度充電，把能量儲存在L中。當開關截止時，L產生反向感應電壓，通過二極管D把儲存的電能以(Vo-Vi)/L的速度釋放到輸出電容器C2中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來控制。

整個穩壓過程由二個閉環來控制，即

閉環1 輸出電壓通過取樣后反饋給誤差放大器，用于同放大器內部的2.5V基準電壓比較后產生誤差電壓，誤差放大器控制由于負載變化造成的輸出電壓的變化。

閉環2 Rs為開關管源極到公共端間的電流檢測電阻，開關管導通期間流經電感L的電流在Rs上產生的電壓送至PwM比較器同相輸入端，與誤差電壓進行比較后控制調制脈沖的脈寬，從而保持穩定的輸出電壓。誤差信號實際控制著峰值電感電流。

2.2 Boost升壓結構特性分析

Boost升壓電路，可以工作在電流斷續工作模式(DCM)和電流連續工作模式(CCM)。CCM工作模式適合大功率輸出電路，考慮到負載達到lO%以上時，電感電流需保持連續狀態，因此，按CCM工作模式來進行特性分析。

Boost拓撲結構升壓電路基本波形如圖3所示。

ton時，開關管S為導通狀態，二極管D處于截止狀態，流經電感L和開關管的電流逐漸增大，電感L兩端的電壓為Vi，考慮到開關管S漏極對公共端的導通壓降Vs，即為Vi-Vs。ton時通過L的電流增加部分△ILon滿足式(1)。

式中：Vs為開關管導通時的壓降和電流取樣電阻Rs上的壓降之和，約0.6~0.9V。

toff時，開關管S截止，二極管D處于導通狀態，儲存在電感L中的能量提供給輸出，流經電感L和二極管D的電流處于減少狀態，設二極管D的正向電壓為Vf，toff時，電感L兩端的電壓為Vo+Vf-Vi，電流的減少部分△ILoff滿足式(2)。

式中：Vf為整流二極管正向壓降，快恢復二極管約0.8V，肖特基二極管約0.5V。
在電路穩定狀態下，即從電流連續后到最大輸出時，△ILon=△ILoFf，由式(1)和(2)可得

如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即

由式(4)和式(5)得電感器平均電流

同時由式(1)得電感器電流紋波

式中：f為開關頻率。

為保證電流連續，電感電流應滿足

考慮到式(6)、式(7)和式(8)，可得到滿足電流連續情況下的電感值為

另外，由Boost升壓電路結構可知，開關管電流峰值Is(max)=二極管電流峰值Id(max)=電感器電流峰值ILP，

3 樣機電路設計

樣機的電路圖如圖2所示，是基于UC3842控制的升壓式DC/DC變換器。電路的技術指標為：輸入Vi=18V，輸出Vo=40V、Io=2A，頻率f≈49 kHz，輸出紋波噪聲1%。

根據技術指標要求，結合Boost電路結構的定性分析，對圖2的樣機電路設計與關鍵參數的選擇進行具體的說明。

3.1 儲能電感L

根據輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4)得

當輸出最大負載時至少應滿足電路工作在CCM模式下，即必須滿足式(9)，

同時考慮在10%額定負載以上電流連續的情況，實際設計時可以假設電路在額定輸出時，電感紋波電流為平均電流的20%~30%，因增加△IL可以減小電感L，但為不增加輸出紋波電壓而須增大輸出電容C2，取30%為平衡