什麽是電感型升壓DC/DC轉換器?決定電感型升壓的DC-DC轉換器輸出電壓的因素是什麽?電感型升壓轉換器IC電路輸出二極管選擇的原則是什麽?
2018-07-12 10:46:22
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什麽是電感型升壓DC/DC轉換器?

如圖1所示爲簡化的電感型DC-DC轉換器電路,閉合開關會引起通過電感的電流增加。打開開關會促使電流通過二極管流向輸出電容。因儲存來自電感的電流,多個開關周期以後輸出電容的電壓升高,結果輸出電壓高于輸入電壓。


決定電感型升壓的DC-DC轉換器輸出電壓的因素是什麽?

在 图2所示的实际电路中,带集成功率MOSFET的IC代替了机械开关,MOSFET的开、关由脉宽调制(PWM)电路控制。输出电压始终由PWM占空比决 定,占空比为50%时,输出电压为输入电压的两倍。将电压提高一倍会使输入电流大小达到输出电流的两倍,对实际的有损耗电路,输入电流还要稍高。


電感值如何影響電感型升壓轉換器的性能?

因爲電感值影響輸入和輸出紋波電壓和電流,所以電感的選擇是感性電壓轉換器設計的關鍵。等效串聯電阻值低的電感,其功率轉換效率最佳。要對電感飽和電流額定值進行選擇,使其大于電路的穩態電感電流峰值。


電感型升壓轉換器IC電路輸出二極管選擇的原則是什麽?

升壓轉換器要選快速肖特基整流二極管。與普通二極管相比,肖特基二極管正向壓降小,使其功耗低並且效率高。肖特基二極管平均電流額定值應大于電路最大輸出電壓。

怎樣選擇電感型升壓轉換器IC電路的輸入電容?

升 压调节器的输入为三角形电压波形,因此要求输入电容必须减小输入纹波和噪声。纹波的幅度与输入电容值的大小成反比,也就是说,电容容量越大,纹波越小。如 果转换器负载变化很小,并且输出电流小,使用小容量输入电容也很安全。如果转换器输入与源输出相差很小,也可选小体积电容。如果要求电路对输入电压源纹波 干扰很小,就可能需要大容量电容,并(或)减小等效串联电阻(ESR)。


在電感型升壓轉換器IC電路中,選擇輸出電容時要考慮哪些因素?

輸出電容的選擇決定于輸出電壓紋波。在大多數場合,要使用低ESR電容,如陶瓷和聚合物電解電容。如果使用高ESR電容,就需要仔細查看轉換器頻率補償,並且在輸出電路端可能需要加一額外電容。

進行電感型升壓轉換器IC電路布局時需要考慮哪些因素?

首 先,输入电容应尽可能靠近IC,这样可以减小影响IC输入电压纹波的铜迹线电阻。其次,将输出电容置于IC附近。连接输出电容的铜迹线长会影响输出电压纹 波。第三点是,尽量减小连接电感和输出二极管的迹线长度,减小功耗并提高效率。最后一点是,输出反馈电阻远离电感可以将噪声影响降至最小。


電感型升壓轉換器應用在哪些場合?

電感型升壓轉換器的一個主要應用領域是爲白光LED供電,該白光LED能爲電池供電系統的液晶顯示(LCD)面板提供背光。在需要提升電壓的通用直流-直流電壓穩壓器中也可使用。

要了解電感式升壓/降壓的原理(我今天只講升壓),首先必須要了解電感的一些特性:電磁轉換與磁儲能。其它所有參數都是由這兩個特性引出來的。先看看下面的圖:

電感回路通電瞬間


相信有初中文化是壇友們都知道,一個電池對一個線圈通電,這是個電磁鐵。不論你是否科盲,你一定會奇怪,這有什麽值得分析的呢?有!我們要分析它通電和斷電的瞬間發生了什麽。


線圈(以後叫作"電感"了)有一個特性---電磁轉換,電可以變成磁,磁也可以變回電。當通電瞬間,電會變爲磁並以磁的形式儲存在電感內。而斷電瞬磁會變成電,從電感中釋放出來。


現在我們看看下圖,斷電瞬間發生了什麽:

斷電瞬間


前面我說過了,電感內的磁能會在電感斷電時重新變回電,然而問題來了:此時回路已經斷開,電流無處可以,磁如何能轉換成電流呢?很簡單,電感兩端會出現高壓!電壓有多高呢?無窮高,直到擊穿任何阻擋電流前進的介質爲止。

這裏我們了解了電感的第二個特性----升壓特性。當回路斷開時,電感內的能量會以無窮高電壓的形式變換回電,電壓能升多高,僅取決于介質變的擊穿電壓。


現在可以小結一下了:

下面是正壓發生器,你不停地扳動開關,從輸入處可以得到無窮高的正電壓。電壓到底升到多高,取決于你在二極管的另一端接了什麽東西讓電流有處可去。如果什麽也不接,電流就無處可去,于是電壓會升到足夠高,將開關擊穿,能量以熱的形式消耗掉。

正压发生器原理图 负压发生器原理图

下面是負壓發生器,你不停地扳動開關,從輸入處可以得到無窮高的負電壓。


上面說的都是理論,現在來點實際的電子線路圖,看看正/負壓發生器的"最小系統"到底什麽樣子:

實際電子線路

你可以很清楚看到演變,電路中僅僅把開關換成了三極管換而已。


不要小看這兩個圖,事實上,所以開關電源都是由這兩個圖組合變換而來,所以掌握這兩個圖非常重要。


最後要提提磁飽合的問題。什麽是磁飽合?


從上面的背景知道我們可以知道電感能儲存能量,將能量以磁場方式保存,但能存多少呢?存滿之後會發生什麽情況呢?


1。存多少:"最大磁通量"這個參數就是幹這個用的,很顯然,電感不能無限保存能量,它存儲能量的數量由電壓與時間的乘積決定,對于每個電感來說,這是一個常數,根據這個常數你可以算出一個電感要提供N伏M安供電時必須工作于多高的頻率下。


2。存滿之後會如何:這就是磁飽合的問題。飽合之後,電感失去一切電感應有的特性,變成一純電阻,並以熱的形式消耗掉能量。



DC/DC 升压原理


升壓式DC/DC變換器主要用于輸出電流較小的場合,只要采用1~2節電池便可獲得3~12V工作電壓,工作電流可達幾十毫安至幾百毫安,其轉換效率可達70%-80%。


升 压式DC/DC变换器的基本工作原理如图所示。电路中的VT为开关管,当脉冲振荡器对双稳态电路置位(即Q端为1)时,VT导通,电感VT中流过电流并储 存能量,直到电感电流在RS上的压降等于比较器设定的闽值电压时,双稳态电路复位,即Q端为0。此时VT截止,电感LT中储存的能量通过一极管VD1供给 负载,同时对C进行充电。当负载电压要跌落时,电容C放电,这时输出端可获得高于输大端的稳定电压。输出的电压由分压器R1和R2分压后输入误差放大器, 并与基准电压一起去

控制脈沖寬度,由此而獲得所需要的電壓,即V0=VR*(R1/R2+1)式中:VR——基准電壓。


降壓式DC/DC變換器的輸出電流較大,多爲數百毫安至幾安,因此適用于輸出電流較大的場合。降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路如圖所示。VT1爲開關管,當VT1導通時,輸入電壓Vi通過電感L1向負載RL供電,與此同時也向電容C2充電。

在 这个过程中,电容C2及电感L1中储存能量。当VT1截止时,由储存在电感L1中的能量继续向RL供电,当输出电压要下降时,电容C2中的能量也向RL放 电,维持输出电压不变。二极管VD1为续流二极管,以便构成电路回路。输出的电压Vo经R1和R2组成的分压器分压,把输出电压的信号反馈至控制电路,由 控制电路来控制开关管的导通及截止时间,使输出电压保持不变。

DC/DC升壓穩壓器原理

DC/DC升壓有三種基本工作方式:

一種是電感電流處于連續工作模式,即電感上電流一直有電流;

一種是電感電流處于斷續工作模式,即在開關截止末期電感上電流發生斷流;

還有一種是電感電流處于臨界連續模式,即在開關截止期間電感電流剛好變爲“0”時,開關又導通給電感儲能。


下面我們將主要介紹連續工作模式及斷續工作模式的工作原理。


連續工作模式


当 稳压器有一定负载时,电感电流处于連續工作模式。当开关导通时,如图1所示,电感和电容进行储能,电感电流不能突变,电流线性增加,也给电容C1进行充 电。当开关截止时,如图2所示,负载电流由电感和电容提供,电感电流不能突变,继续给负载输出电流,给负载供电。电流IL和ID的电流变化和电容电压变化 如图3所示。当开关管导通时:△IL=Vin*D/L1;当开关管截止时:△IL=Vout*(1-D)/L1;根据以上两个式子得出:Vout=Vin /(1-D)(D为占空比)

斷續工作模式


当稳压器处于轻负载或无负载时,电感电流处于連續工作模式波形图如图4所示。

幾款直流升壓電路原理與設計


直流升壓就是將電池提供的較低的直流電壓,提升到需要的電壓值,其基本的工作過程都是:高頻振蕩産生低壓脈沖——脈沖變壓器升壓到預定電壓值——脈沖整流獲得高壓直流電,因此直流升壓電路屬于DC/DC電路的一種類型。

在使用電池供電的便攜設備中,都是通過直流升壓電路獲得電路中所需要的高電壓,這些設備包括:手機、傳呼機等無線通訊設備、照相機中的閃光燈、便攜式視頻顯示裝置、電蚊拍等電擊設備等等。


一、幾種簡單的直流升壓電路

以下是幾種簡單的直流升壓電路,主要優點:電路簡單、低成本;缺點:轉換效率較低、電池電壓利用率低、輸出功率小。這些電路比較適合用在萬用電表中,替代高壓疊層電池。

二、24V供電CRT高壓電源


一 些照相机CRT使用11.4cm(4.5英寸)纯平面CRT作为显示部件,其高压部件的阳极电压为+20kV,聚焦极电压为+3.2kV,加速极电压 为+1000V,高压部件供电为直流24V。以下电路是为替换维修这些显示器的高压部件而设计(电路选自网络文章,原作者不详)。该电路的设计也可为其他 升压电路设计提供参考。

基 本原理:NE555构成脉冲发生器,调节电位器VR2可使之产生频率为20kHz左右的脉冲,电位器VR1调脉宽。TR1为推动级,脉冲变压器T1采用反 极性激励,即TR1导通时TR2截止,TR1截止时TR2导通,D3、C9、VR3、R7及D4、R6、TR3组成高压保护电路。VR2用于调频率,调节 VR2可调整高压大小。


VR2选用精密可调电阻。T2可选用彩电行输出变压器变通使用。笔者选用的是东洋SE-1438G系列 35cm(14英寸)彩电的行输出变压器,采用此变压器阳极电压可达20kV,再适当选取R8的阻值使加速极电压为+1000V、R9的阻值使聚焦极电压 为+3.2kV即可。整个部件采用铝盒封装,铝壳接地,这样可减少对电路干扰。

一個DC-DC升壓電路。Q1、Q2、R1、C2、L1組成一個震蕩電路。D1,C3是整流濾波電路,D2、D5、Q3、R2是穩壓控制電路,這部分電路可以用一個穩壓二極管替代。這個電路負載直接接LED,有點不合理。


我 的理解大概是这样的:当大电流给电容C2充电时,R1端电位高,导致Q1Q2止;当充电电流变小时,Q1Q2通,电感两端行成很高的反压,同时电容C2通 过Q2放电,当电容端电压放到一定值时,电感反压使给电容充电的电流又达到了一定值,使R1端电位高使Q1Q2截止;反复这样。。。。当。


Q1 基极上有一电压上升时,会使得C2右端的电压产生一个大的上升,由于电容上的电压不能突变,所以形成正反馈的作用,使得Q1基极电位迅速增大,从而Q1、 Q2很快截止。然后就是C2的充电,使得Q1基极的电位下降,于是两个三极管退出截止,进入饱和状态。接下来便是C2的放电了。如此往返。

但是我不是很理解電感L的作用。如果Q1、Q2集電極都是電源VCC的話,好像我上面的推導才正確。

上 电瞬间通过R1/R2给电容充电,当C1的电压达到能使VT1导通时,VT2导通,T的初级绕组开始有电流流过,此时C放电,当C放电到不能使VT1导通 时,VT1,VT2关断,T中电流减小,同时T的次级线圈中开始感应出电流,当T的初级线圈中无电流流过,C又开始充电,如此反复振荡,在T的次级线圈中 就会感应出电压来。大概就是这样一个工作过程,说得不好请指出。

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