從升壓轉換器獲得更大升壓

2020-12-03 EDN電子設計技術

升壓轉換器用於將較低的輸入電壓轉換成較高的輸出電壓。要獲得最大的「升壓」，需要儘可能提高工作佔空比。M0Mednc

升壓控制器在最大連續佔空比上有所限制，後者通常在較低的開關頻率下達到最高。如果超過此最大佔空比，則會發生脈衝跳躍，這種情況通常不希望遇到，應當避免。許多控制器的最大佔空比在80%至90%的範圍內，如果它們以非常低的開關頻率工作，則可以增加幾個百分點。低開關頻率需要更大的元器件和更大的電路板面積。但是，即使工作在低開關頻率下，仍然可能無法獲得足夠的升壓。那麼我們怎麼辦呢？M0Mednc

圖1給出了傳統升壓轉換器功率級的簡化示意圖。它的主要優點是元器件數量少，採用標準電感器，以及能夠實現簡單的低邊升壓控制器。但是，這個基本升壓有個關鍵限制是，假設最大佔空比為90%，它只能提供10:1的最大升壓比。如果需要更大的升壓，可以嘗試使用帶電荷泵倍增器的升壓轉換器或反激式轉換器。將電荷泵添加到升壓轉換器，對於小輸出電流很有用，但需要額外的元器件來實現。反激轉換器也是種合理的解決方案。但是，還有一種更簡單的解決方案，具有更少的變壓器引腳、更低的匝數比和更低的漏感。M0Mednc

圖1：傳統的單電感升壓轉換器功率級。M0Mednc

圖2給出了自耦變壓器升壓轉換器。它在同一磁芯上使用了兩個串聯繞組，作用是充當變壓器但沒有隔離。與反激轉換器相比，將原邊與副邊串聯可降低所需的匝數比，所需的引腳數也更少。M0Mednc

圖2：自耦變壓器升壓轉換器可以比傳統的升壓轉換器提供更高的輸出電壓。M0Mednc

公式1表達了對於給定的Vin、Vout和n2/n1匝數比（忽略FET和電流檢測電阻電壓降），在連續導通模式（CCM）下工作的佔空比：M0Mednc

可以看到，對於較大的n2/n1匝數比，佔空比會降低。這對於提供更高的輸出電壓來說很有利。對該表達式求解Vout，得到公式2：M0Mednc

可以看到，如果n2/n1 = 0，則該表達式與傳統的升壓轉換器相同。而對於n2/n1匝數比不為零的情況來說，Vout會增加一個附加值，它等於(n2/n1)*Vin*d/(1-d)，因此可以產生更高的輸出電壓。M0Mednc

圖3繪出了幾種n2/n1匝數比的升壓比、Vout/Vin與佔空比的關係圖，其中包含了零值，即傳統的升壓比，用於比較。在90%的佔空比下，傳統的升壓比為10，而對於n2/n1 = 1的情況來說，升壓比為19，因此可以將輸出電壓提高到接近兩倍。可以使用標準的耦合電感器輕鬆實現1:1的n2/n1比，這種電感器大都很容易買到。較大的匝數比可以提供更高的輸出電壓。M0Mednc

圖3：抽頭電感器可降低佔空比並實現更高的輸出電壓。M0Mednc

通常，根據設計規格書可以知道升壓比。最大的實際佔空比是由所選控制器和所需開關頻率所確定。圖4顯示了如何輕鬆確定所需匝數比。例如，假設需要從10V輸入獲得250V輸出，希望將最大佔空比限制在80%，那麼就可以選擇250V/10V = 25的升壓比，然後遵循藍色曲線（d = 0.8），就可以得到所需的n2/n1為5。M0Mednc

公式3給出了FET關斷時的電壓應力，而公式4給出了整流器的反向電壓應力：M0Mednc

對於上面的設計示例，FET和整流器的電壓應力分別為50V和300V。FET的電壓應力遠低於傳統的升壓轉換器，後者FET的電壓應力約為250V！由於存在漏感，因此可能需要使用電阻電容緩衝器來減少振鈴。M0Mednc

圖4：通過選擇升壓比和最大佔空比來確定所需的匝數比。M0Mednc

將自耦變壓器設計到CCM升壓轉換器中具有多個優點。只需增加一個繞組，就可以增加輸出電壓，而使其超過傳統的升壓轉換器。它可以降低工作佔空比，從而實現更高的開關頻率、更小的元件尺寸和更低的FET電壓。佔空比降低還可以獲得更多的控制器選擇——以前在傳統的升壓轉換器中使用這些控制器時無法獲得足夠高的佔空比。M0Mednc

（原文刊登於EDN美國版，參考連結：Power Tips #90: Get more boost from your boost converter）

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本文為《電子技術設計》2020年2月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。

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