筆記本供電無障礙Boost升壓電路設計詳解

Boost拓撲結構一直是幾款既經典又基本的基礎電路之一，它被運用在非常多的供電設備中。本文中講解了學習、拆解、重組的Boost模塊都是運用了UC3843的控制晶片，這款晶片是專門為設計低壓電路所準備的。在以下的講解過程中，針對Boost升壓電路設計及計算過程做出了詳細的講解。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/326977.htm

下圖為2塊boost模塊，第一步就是得到兩個模塊的電路圖，最直接的方法就是用萬用表一根根的測量，類似「抄板」工作，但適用於初學者。

圖1 兩塊成品升壓模塊

上圖的模塊主電路基本一致，都是典型Boost升壓電路，它們使用MOSFET作為開關器件；控制晶片也一致為UC3843，是電流型PWM控制晶片，經過插接它們的晶片外圍電路和參數略有不同。網上對UC3843系列晶片使用講述得並不透徹，要想了解的更透徹惟有學習其官方文件，但UC3843的PDF版本也很多，能夠找到的最好版本是UC3843(Rev. 15)，另外一個UC3843A作為補充。

圖2 UC3843系統圖

首先，設置PWM最大佔空比和頻率。PWM脈衝由RT和CT諧振產生，設計RT和CT參數時，先設計最大佔空比確定RT，再通過頻率確定CT的數值。PDF中講述了，PWM波形的最大佔空比僅由RT函數確定，為了保護電路可以通過限制最大佔空比來實現，（比如Boost電路中設置最大佔空比為50%，那麼輸出電壓最大值就不可能超過輸入電壓的50%）公式如下所示：

公式中已知量VRT/CT(valley)= 1.2V，VRT/CT(peak)= 2.8V，Vref= 5V，Idischg= 8.3mA，RT為諧振電阻。以Boost電路為例，為防止輸出電壓過高，我要求Dmax<70%，於是電阻就選擇了比較常見的RT=1KΩ，Dmax=64.2%。

表1 RT與Dmax關係表

選擇電阻後再根據PDF文件中提供的頻率圖選擇電阻，比如希望PWM適當高些大於50KHz，可以減小電感量，那麼找到0.8上的第二根水平線與50K豎直線的交叉處，估算到CT應該大於10nF，估計在15nF以上，看看自己的貼片電容情況，挑選比較接近的22nF的電容，CT=22nF。

圖3 頻率設置曲線圖估算完畢後，可以依據公式核算(PDF上有說明的計算一般都有10%的誤差，原因是電阻和電容的標稱值都有1%~5%的誤差以及溫度影響)。

計算值53.4KHz，實際值53.7KHz，比較準確了。

然後，進行電壓反饋環節設計。就採用最基本的方案，2腳電壓反饋輸入，1腳電壓反饋補償輸入，如圖4所示。

圖4 電壓反饋環節設計

2腳的參考電壓是2.5V，Rf要求大於8.8K，頻率不是特別高，反饋也不是要求響應特別快，因此選用大家用得多的參數Rf=100K，Cf=100pF。調節Ri和Rd的數值，就可以調節輸出電壓了，計算公式是：

VO=2.5*(Rd+Ri)/Rd

最後，進行電流反饋環節設計。

圖5 電流反饋環節設計

3腳是電流反饋輸入，參考電壓值是1V(超過1V時響應，減小PWM佔空比)限流靠設計RS的值，設計時由於沒有合適的電阻（要同時考慮阻值和功率），只能將就選擇0.05Ω/2W的電阻串上一個保險絲來代替（估計在平均電流小時應該有0.07歐左右，平均電流大時應該有0.15歐電阻，這樣可以限制電流6.5A以內）。R的值比較隨意，一般就是常見的1K和10K都行，但是C的值就不能太大了，不然電流反饋的延時就太大了，很容易造成過流時間太長PWM晶片才有響應的問題，而選擇太小了就容易受到尖峰的幹擾，選擇電阻1K，電容200pF，在54KHz的頻率下對電流限制還不錯。

關於主電路參數設計

圖6 Boost電路結構

基本結構如圖6所示，主電路參數設置如下：

1、Vin工作電壓 12~18V

2、Vout工作電壓 20.5V

3、電感 100mH，6A工作電路

在設計參數時，最重要的是開關頻率和電感平均電流，給大家一個用Matlab-simulink搭建的簡易開環Boost模型，可以自己設置參數波形是否合理。以上使用的模型是開環的，啟動時衝擊電流很大，可以不管，因為UC3843中電流反饋可以實現軟起動，只要注意看穩態時電感上的平均電流就可以了，電感電流選擇上最好留50%的餘量。電路原理圖如下：

圖7 基於UC3843的Boost升壓電路原理圖

解釋：

1、R7、R10、R9構成輸出電壓反饋環節，調節R10就能改變輸出電壓了。這裡電阻R9設置為7K是為了防止電壓升得太高，如果需要的電壓較高就的適當減少R9。

Vmax=2.5*(7K+51K)/7K=20.7 V

Vmin=2.5*(10K+7K+51K)/(10K+7K)=10 V

2、電阻R4，保護MOSFET，防止源極開路。

3、二極體D2一定要用低導通壓降的肖特基二極體，最好能裝散熱片的。

4、輸入輸出兩端的支撐電容當然越大越好，不過當參數下到1000uF時，輸出已經非常好了，特別提醒：電容是有耐壓值的，如果要輸出30V，卻用25V耐用電容，通電時間稍微長點就會爆電容。

圖8 實物展示

經過模仿研究及再實踐可以看出UC3843是一款不錯的PWM晶片，有兩個反饋環，電壓環精確穩壓，電流反饋可以限流保護，比單獨用單片機成本低，可靠性高，同時不佔用單片機資源。使用的基本是UC3843最精簡的外圍結構，適合初學者入手製作。如果後續配上高頻變壓器，使用的方式就更加豐富了。市面上還有款晶片TL494可以代替UC3843，功能差不多。