浅谈Boost升压电路的原理及设计

由式(1)得电感器电流纹波

式中：f为开关频率。

为保证电流连续，电感电流应满足

考虑到式(6)、式(7)和式(8)，可得到满足电流连续情况下的电感值为

另外，由Boost升压电路结构可知，开关管电流峰值Is(max)=二极管电流峰值Id(max)=电感器电流峰值ILP，

3 样机电路设计

样机的电路图如图2所示，是基于UC3842控制的升压式DC/DC变换器。电路的技术指标为：输入Vi=18V，输出Vo=40V、Io=2A，频率f≈49 kHz，输出纹波噪声1%。

根据技术指标要求，结合Boost电路结构的定性分析，对图2的样机电路设计与关键参数的选择进行具体的说明。

3.1 储能电感L

根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4)得

当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足式(9)，

同时考虑在10%额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的20%~30%，因增加△IL可以减小电感L，但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容C2，取30%为平衡，即

L可选用电感量为140~200μH且通过5A以上电流不会饱和的电感器。电感的设计包括磁芯材料、尺寸、型号选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。而选用线径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温升。

3.2 输出电压取样电阻R1、R2

因UC3842的脚2为误差放大器反向输入端，芯片内正向输入端为基准2.5v，可知输出电压Vo=2.5(1+R1/R2)，根据输出电压可确定取样电阻R1、R2的取值。

由于储能电感的作用，在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻Rs上产生一个尖峰脉冲，为防止造成UC3842的误动作，在Rs取样点到UC3842的脚3间加入R、C滤波电路，R、C时间常数约等于电流尖峰的持续时间。

3.3 开关管S

开关管的电流峰值由式(10)得

Iv(max)=ILP=5.11A

开关管的耐压由式(11)得

Vds(off)=Vo+Vf=40+0.8=40.8V

按20%的余量，可选用6A/50V以上的开关管。为使温升较低，应选用Rds较小的MOS开关管，要考虑的是通态电阻Rds会随PN结温度T1的升高而增大。

图4为实测开关管的开关电压波形和电流瞬态波形图。

3.4 输出二极管D和输出电容器C2

升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流。二极管的峰值电流Id(max)=ILP=5.11A，本电路可选用6A/50V以上的快恢复二极管，若采用正向压降低的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高。输出电容C2的选定取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。

电容的ESR△Vo/△IL=40x1%/1.33=O.3Ω。

另外，为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容量应满足

根据计算出的ESR值和容量值选择电容器，由于低温时ESR值增大，故应按低温下的ESR来选择电容，因此，选用560μF/50V以上频率特性好的电解电容可满足要求。

3.5 外补偿网络

UC3842误差放大器的输出端脚l与反相输入端脚2之间外接补偿网络Rf、Cf。 Rf、Cf的取值取决于UC3842环路电压增益、额定输出电流和输出电容，通过改变Rf、Cf的值可改变放大器闭环增益和频响。为使环路得到最佳补偿，可测试环路的稳定度，测量Io脉动时输出电压Vo的瞬态响应来加以判断。

图5为Cf选用0.0lμF和470pF时动态响应控制波形的区别，上冲下降幅度和复位时间都有差别。

3.6 斜坡补偿

在实用电路中，增加斜坡补偿网络，一般有二种方法，一是从斜坡端脚4接补偿网络Rx、Cx至误差放大器反相输入端脚2，使误差放大器输出为斜坡状，再与Rs上感应的电压比较。二是从斜坡端脚4接补偿网络Rx、Cx到电流感应端脚3，将在Rs的感应电压上增加斜坡的斜率，再与平滑的误差电压进行比较，作用是防止谐波振荡现象，避免UC3842工作不稳定，同时改善电流型控制开关电压的噪声特性。本文采用方法二。

3.7 保护电路

当UC3842的脚3电压升高超过1V或脚1电压降到1V以下，都可使PWM比较器输出高电平，造成PWM锁存器复位。根据UC3842关闭特性，可以很容易在电路中设置过压保护和过流保护。本电路中Rs上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路，当脚3达到1V时就会出现限流现象，所以，整个电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余量，就能保证稳压电路工作可靠，降低成本。

4 结语

按以上原理和计算设计丁输入18V，输出40V的80W升压DC/DC电路，整个电路调试容易，工作稳定，可靠性高，效率达80%以上，特别是成本低，已应用于实际设备中。另外，可根据具体