开关电源设计实例之Boost 篇

开关电源设计实例之Boost 篇
一、设计要求
设计一升压电路，输入电压 6.5 ~ 8.4V，输出电压 24V，最大功率60W，开关频率 50kHz。

二、理论分析

为使系统工作在电流断续模式（DCM）下，应当考虑最差情况：Ton 最大，也就是Vdc 最小，Ro最小（即输出功率最大）。

1、求开关管 Q1 最大导通时间 Ton
根据在一个周期 T 内，Q1 导通时 L1 上电流的增加量与Q1 截止时L1 上电流的减少量相等，列出关系式：

其中 Vdc 表示最小输入直流电压，Tr 为电感磁通密度复位时间。在电流断续模式下，取 Ton + Tr + Td = T，Td 为死区时间，保证在 Ton 最大时，仍有 0.2T 的死区时间，则有：

代入数据有：

解得，Ton 最大为 11.7uS。

2、求电感L1的电感量
1）在 Ton 时间内，L1 储存的能量为：

其中 Ip 为电感 L1 上的峰值电流。
2）在 Tr 时间内，L1 释放的能量为：

电源释放的能量为：

3）整个周期 T 内，系统输入功率等于负载消耗的功率：

负反馈将根据上式对输入电压变化和负载变化进行调整，以保持输出稳定，如果 Vdc 和 Ro 下降或上升，则负反馈会增大或减小 Ton 来保持 Vo 恒定。将最糟糕状态：Vdc = 6.5V，Vo = 24V，Ton = 11.7uS，k = 0.8，Po = 60W代入上式求 L1：

求出来的是满足电路要求的最大电感值，当电感比 3.3uH 还要大时，Ton 会跟着增大，从而破坏最大 Ton 的限定。

3、绕制电感
1）根据电感储存能量选择磁芯尺寸
依题意，电感电流峰值为：

电感储存的最大能量为：

查《开关电源设计》第三版 252 页图 7.32 可知，温升小于 40℃ 时，873uj 能量对应的面积乘积为 0.2~0.4cm4（面积乘积是指磁环窗口面积 Aw 与磁通面积 Ae 的乘积）。淘宝店老板推荐铁硅铝 77083 磁芯，该磁芯规格见图1，其面积乘积为4.58cm4满足条件。
2）求出绕制匝数
该磁芯的电感系数为：

由匝数计算公式：

可求出用该磁芯绕制 3.3uH 电感所需匝数：

接下来考虑由于线圈电流上升，导致电感量下降的问题。磁场强度的计算公式为：

其中，MPL 为有效磁路长度，该磁芯具体为 98.4mm，线圈电流达到峰值 23 安培时，磁场强度为：

77083 磁环的磁导率为 60u，依据图2可知，当磁化力为 18 奥斯特时，磁导率几乎不下降，因此无需重新计算匝数。

3）根据线圈电流峰值选择铜线尺寸
在一个周期 T 内，电流为三角波，最大峰值 Ip = 23A，有效值为：

设铜线电流密度为 500 圆密耳每安培（有效值），则总圆密耳值为 500 * 16.3 = 8150，查表可知 12 号线圆密耳值为 7310，与计算值最接近，但 12 号线截面积为 3.70mm2，绕制较为困难，用四根 18 号线并绕代替，截面积为 0.983*4=3.93mm2。

4）计算铜耗
四根 18 号线并绕约相当于一根 12 号线（20℃ 时，电阻率为 52.2uΩ/cm）。单匝截面积为 3.93mm2，绕制 6 匝总截面积为 3.937=23.58mm2，该磁芯窗口面积为 427mm2，从而得到填充系数为 23.58/427100%=5.5%，由图1可知，对于填充系数为 0% 的 77083 磁芯，单匝导线平均长度为 4.81cm，从而可计算出铜耗为：

4、系统分析
理论分析下，该系统在最糟糕的工作状态时，即 Vdc = 6.5V, Vo = 24V, Po = 60W 的时候，Ton 将达到 11.7uS，此时 k 为 0.8，Tr 为 4.3uS，Td 为 4uS。
下面分析在周期 T 和电感 L 不变时，改变 Ro,Vdc,Vo,Po 中的任意一个量，Ton,k,Td 将会如何变化，Ton 要同时满足以下两个等式：

若要分析 k 的变化，联立式 (1) 和式 (2) 得：

1）Vo 和 Vdc不变，改变 Ro
Ro 增大，k 减小（式(3)得），Ton 减小（式(2)得）并且 Td 增大。

2）Vo 和 Ro 不变，改变 Vdc
根据式 (3)，首先要分析当 Vdc 变化时，Vdc2(Vo-Vdc) 如何变化，不妨设 y = Vdc2(Vo-Vdc)，其中 Vo 是常数，Vdc 是变量，函数图象如图3所示。由图可知，Vdc 在区间 (0, 2Vo/3) 时，y 随 Vdc 的增大而增大（即 k 随 Vdc 的增大而减小）；在区间 (2Vo/3, Vo) 时，y 随 Vdc 的增大而减小（即 k 随 Vdc 的增大而增大）。
对本系统而言，当 Vo = 24V 且 Ro 不变时，将 Vdc 从最小值慢慢增加到 16V 时，k 会一直减小到最小值，Ton 会一直减小（式(2)得），Td会一直增大；当 Vdc 继续增加到 24V 时，k 会从最小值慢慢增加，Ton会继续减小到 0（式(1)得），Td慢慢减小。

图3 y = Vdc2(Vo-Vdc)

3）Vdc 和 Ro 不变，改变 Vo
根据式 (3)，首先要分析当 Vo 变化时，Vo3/(Vo-Vdc) 如何变化，不妨设 y = Vo3/(Vo-Vdc)，其中 Vdc 是常数，Vo 是变量，函数图象如图4所示。由图可知，Vo 在区间 (8, 3Vdc/2) 时，y 随 Vo 的增大而减小（即 k 随 Vdc 的增大而减小）；在区间 (3Vdc/2, +∞) 时，y 随 Vo 的增大而增大（即 k 随 Vdc 的增大而增大）。
对本系统而言，当 Vdc = 8V 且 Ro 不变时，将 Vo 从 8V 慢慢增加到 12V 时，k 会一直减小到最小值，Ton 会一直增大（式(1)得），Td会一直增大；当 Vo 继续增加时，k 会从最小值慢慢增加，Ton会继续增大（式(2)分子分母同除 Vo 得），Td慢慢减小。

图4 y = Vo3/(Vo-Vdc)

4）Vdc 和 Po 不变，改变 Vo
根据式 (3)，首先要分析当 Vo 变化时，Vo/(Vo-Vdc) 如何变化，不妨设 y = Vo/(Vo-Vdc)，其中 Vdc 是常数，Vo 是变量，函数图象如图5所示。由图可知，Vo 在区间 (8, +∞) 时，y 随 Vo 的增大而减小（即 k 随 Vdc 的增大而减小）。
对本系统而言，当 Vdc = 8V 且 Po 不变时，将 Vo 从 8V 慢慢增加，k 会一直减小，Ton 会一直增大（式(1)可化为 Ton = 2LPo/kVdc2），Td会一直增大。

图5 y = Vo/(Vo-Vdc)

开关电源设计实例之Boost 篇相关推荐

初学开关电源设计全过程笔记
概述开关电源的设计是一份非常耗时费力的苦差事,需要不断地修正多个设计变量,直到性能达到设计目标为止.本文step-by-step介绍反激变换器的设计步骤,并以一个6.5W隔离双路输出的反激变换器设计 ...
Verilog设计实例（2）一步一步实现一个多功能通用计数器
博文目录写在前面正文普通的二进制计数器电路设计行为仿真普通的格雷码计数器电路设计行为仿真 LFSR 电路设计行为仿真多功能计数器电路设计行为仿真生成语句实现方式电路设计行 ...
推荐陈永真著作《高效率开关电源设计与制作》
"高效率开关电源设计与制作"的引言部分引言电源的发展历程 1．电源的百年历史在研究高效率开关电源之前,还是应该先看一看电源发展的历史.也许会对电源的将来有一 ...
DC/DC开关电源设计
DC/DC开关电源设计视频讲解链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Dv411y7jM?t=156 一.电源概述主要内容:线性稳压电源和开关稳压电源的概念理解 1 ...
web前端期末大作业(月饼美食网站) html+css+javascript网页设计实例企业网站制作...
web前端期末大作业(月饼美食网站) html+css+javascript网页设计实例企业网站制作临近期末, 你还在为HTML网页设计结课作业,老师的作业要求感到头大?HTML网页作业无从下手? ...
关于美食商城HTML网页设计-----在线美食订餐网站html模板源码30个页面(功能齐全) html+css+javascript网页设计实例企业网站制作...
关于美食商城HTML网页设计-----在线美食订餐网站html模板源码30个页面(功能齐全) html+css+javascript网页设计实例企业网站制作临近期末, 你还在为HTML网页设计结课 ...
26个新鲜有魅力的自适应网站设计实例
从PC到平板电脑和智能手机已经转移,因此重要的是,一个网站要按照不同的设备调整它的尺寸.大家都在谈论自适应的网页设计.它设计的未来似乎是绑定自适应网页设计.自适应设计,可以创建一个门户网站,非常适合于 ...
java设计网站推荐_26个新鲜有魅力的自适应网站设计实例
从PC到平板电脑和智能手机已经转移,因此重要的是,一个网站要按照不同的设备调整它的尺寸.大家都在谈论自适应的网页设计.它设计的未来似乎是绑定自适应网页设计.自适应设计,可以创建一个门户网站,非常适合于 ...
web课程设计网页规划与设计—— 中西餐美食餐饮网站(10页面) html+css+javascript网页设计实例...
web课程设计网页规划与设计-- 中西餐美食餐饮网站HTML(10页面) html+css+javascript网页设计实例临近期末, 你还在为HTML网页设计结课作业,老师的作业要求感到头大?HT ...
超大型Oracle数据库设计实例
超大型系统的特点为: 1.处理的用户数一般都超过百万,有的还超过千万,数据库的数据量一般超过1TB: 2.系统必须提供实时响应功能,系统需不停机运行,要求系统有很高的可用性及可扩展性. 这篇是笔者针对 ...

开关电源设计实例之Boost 篇

开关电源设计实例之Boost 篇相关推荐

最新文章

热门文章