嵌入式硬件电子电路设计(二)开关电源BOOST升压电路

目录

升压电路原理

BOOST电路基本结构

BOOST电路工作过程分析

1. 开关导通阶段

2. 开关关断阶段

3. 稳定输出电压

BOOST电路工作的实际调研分析

1. 非同步BOOST电路

2. 同步BOOST电路

XL6009电路分析

SX1308电路分析

引言:前面已经讲述了Buck电路,降压电路,并且调研分析电路情况,接下来开始,我们要学习BOOST升压电路,在学习过程中可以不断的进行类比,像学协议一样,建立自己的知识体系。
在开始之前,我们先要认识到BOOST升压电路的原理,最关键的元器件就是电感,电感主要的作用就是电感上的电流不能突变,此为整个升压电路的灵魂所在!

升压电路原理

观察下图当SW闭合时,电流从正极流出,经过电感直接流向了负极

此时电感的电流是线性上升的,因为电感不能突变,所以电流会继续保持,因此电流为2.4A

所以Ua = 5Ω*2.4A = 12V,我们完成了升压,但是还是有很多缺陷,我们需要增加二极管以及电容,去无限到达接近12v的效果,如下图所示。

硬件构成如下

  1. 输入电源 (Vin):提供初始的低电压。
  2. 开关元件:通常是一个功率MOSFET,用于控制电流流向电感。
  3. 电感 (L):用于储存能量,升压过程中的关键元件。
  4. 二极管 (D):在开关关断时,导通并允许电流从电感流向负载,防止电流回流。
  5. 输出电容 (Cout):平滑输出电压,提供瞬时负载需求的电流。
  6. 反馈电路:监测输出电压,调整开关的占空比以保持输出电压稳定。

BOOST电路基本结构

Boost电路是一种用于升压(提高电压)电源的电路,通常使用在DC-DC转换器中。它的基本原理是通过电感器存储能量,然后在开关元件(如MOSFET)关闭时将能量释放到输出端,从而提高输出电压。Boost电路的典型应用包括:

  1. 电池供电设备:可以将电池的低电压升高,以驱动需要更高电压的设备。
  2. LED驱动:在LED应用中,常需要高于电源电压的电压。
  3. 能量采集:在低功耗设备中,可以将环境能量(如太阳能)升压供电。

Boost电路常见的拓扑结构包括升压转换器(Boost Converter),其效率通常较高,但在设计时需要考虑开关频率、输入输出电压范围、负载条件等因素。

上图进行分析,稳定电压输出的形成,当K接通时,Ui开始对L充电,流过L的电流iL开始增加,同时电流在L中也要产生反电动势eL,C向R放电,形成稳定电压Uo当K由接通转为关断的时候,为了保持励磁不变,L也会产生反电动势eL。eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反,但与电流的方向相同,在控制开关K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与反电动势eL之和。
在开关关断Toff期间,K关断,L把电流iLm转化成反电动势,与输入电压Ui串联迭加,通过整流二极管D继续向负载R提供能量,R两端形成稳定电压输出Uo=Ui+EIBOOST输出电压高于输入,是一个升压电路。

BOOST电路工作过程分析

1. 开关导通阶段

  • 开关元件(如MOSFET)导通:在这个阶段,开关被闭合,电源电压(Vin)通过电感(L)供电。
  • 电感充电:电流从输入电源流过电感,电感中储存能量。此时,电感的电流逐渐增加,且电感两端的电压会与输入电压相等(V_L = Vin)。
  • 电流变化:电感中的电流随时间增加,能量以 12LI2\frac{1}{2} L I^221​LI2 的形式存储在电感中。

2. 开关关断阶段

  • 开关元件关断:开关被打开,电源与电感断开。
  • 电感释放能量:电感中的储存能量通过二极管(D)流向输出负载(Vout)。此时,电感的电流会流向输出端,电感两端的电压会反向增加,形成一个高于输入电压的输出电压(Vout)。
  • 输出电压升高:根据电感的电流变化,输出电压可以通过公式 Vout=Vin×11−DV_{out} = V_{in} \times \frac{1}{1-D}Vout​=Vin​×1−D1​ 来计算,其中 D 是占空比,表示开关导通的时间占整个周期的比例。

我们来具体分析动态过程,首先是开关导通。

其次是开关闭合。

3. 稳定输出电压

为了保持输出电压的稳定,Boost电路通常会结合反馈控制系统。该系统监测输出电压并调整开关的占空比,以便在负载变化时自动调整。

关键参数

  • 占空比 (D):控制开关导通时间的比率,影响输出电压的大小。
  • 效率:Boost电路通常能达到较高的转换效率,但具体效率会受到开关频率、负载特性和组件损耗的影响。

补充:位于上一章的BUCK电路中 电压跟占空比成线性关系,此BOOST电路中,占空比D跟电压呈反比关系。

BOOST电路工作的实际调研分析

首先我们针对BOOST电路进行迭代的探讨,如下所示同步与非同步。

1. 非同步BOOST电路

  • 结构:通常使用一个开关(如MOSFET)和一个二极管。
  • 工作原理
    • 当开关导通时,电感充电。
    • 当开关关断时,电感中的能量通过二极管释放到输出端。
  • 优点
    • 设计简单,成本较低。
    • 适用于较低功率应用。
  • 缺点
    • 二极管的正向压降会导致效率降低,特别是在高电流应用中。
    • 由于二极管的存在,不能实现快速的开关控制。
  • 参数的计算   

2. 同步BOOST电路

  • 结构:使用一个开关(如MOSFET)和一个同步整流器(通常也是一个MOSFET)。
  • 工作原理
    • 开关导通时,电感充电。
    • 开关关断时,另一个MOSFET代替二极管,将电感的能量转移到输出端,降低正向压降。
  • 优点
    • 效率更高,特别是在高电流条件下,因为同步整流器的导通压降较低。
    • 更好的热管理和更高的功率密度。
  • 缺点
    • 设计和控制复杂度增加,成本相对较高。
    • 需要额外的控制电路来驱动同步MOSFET。

XL6009电路分析

SX1308电路分析

所以我们调研后结合实际我们会发现,重点是,BOOST电路的精髓在于通过电感的能量储存和释放,实现对输入电压的升高。它利用开关元件的快速开关控制和电感的特性,以高效的方式将输入电源中的能量转换为更高的输出电压。

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