4招绝杀,让你的Boost电路更安全!

面包板社区 2020-04-04

开关电源最常见的三种结构布局是降压(buck)、升压(boost)和降压–升压(buck-boost),这三种布局都不是相互隔离的。


今天介绍的主角是boost升压电路,the boost converter(或者叫step-up converter),是一种常见的开关直流升压电路,它可以使输出电压比输入电压高。


下面主要从基本原理、boost电路参数设计、如何给Boost电路加保护电路三个方面来描述。


Part1 Boost电路的基本原理分析


Boost电路是一种开关直流升压电路,它能够使输出电压高于输入电压。在电子电路设计当中算是一种较为常见的电路设计方式。


首先,你需要了解的基本知识:

电容阻碍电压变化,通高频,阻低频,通交流,阻直流;

电感阻碍电流变化,通低频,阻高频,通直流,阻交流;



假定那个开关(三极管或者MOS管)已经断开了很长时间,所有的元件都处于理想状态,电容电压等于输入电压。

    

下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路。

    

充电过程

在充电过程中,开关闭合(三极管导通),等效电路如上图,开关(三极管)处用导线代替。这时,输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电,所以电感上的电流以一定的比率线性增加,这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。

    

放电过程

如上图,这是当开关断开(三极管截止)时的等效电路。当开关断开(三极管截止)时,由于电感的电流保持特性,流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容充电,电容两端电压升高,此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。

    

说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时,电感吸收能量,放电时电感放出能量。如果电容量足够大,那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复,就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。


Part2 Boost电路参数的设计


对于Boost电路,电感电流连续模式与电感电流非连续模式有很大的不同,非连续模式输出电压与输入电压,电感,负载电阻,占空比还有开关频率都有关系。而连续模式输出电压的大小只取决于输入电压和占空比。


输出滤波电容的选择


在开关电源中,输出电容的作用是存储能量,维持一个恒定的电压。

Boost电路的电容选择主要是控制输出的纹波在指标规定的范围内。

对于Boost电路,电容的阻抗和输出电流决定了输出电压纹波的大小。

电容的阻抗由三部分组成,即等效串联电感(ESL),等效串联电阻(ESR)和电容值(C)。

在电感电流连续模式中,电容的大小取决于输出电流、开关频率和期望的输出纹波。在MOSFET开通时,输出滤波电容提供整个负载电流。


电感


在开关电源中,电感的作用是存储能量。

电感的作用是维持一个恒定的电流,或者说,是限制电感中电流的变化。

在Boost电路中,选择合适电感量通常用来限制流过它的纹波电流。

电感的纹波电流正比于输入电压和MOSFET开通时间,反比于电感量。电感量的大小决定了连续模式和非连续模式的工作点。

除了电感的感量外,选择电感还应注意它最大直流或者峰值电流,和最大的工作频率。

电感电流超过了其额定电流或者工作频率超过了其最大工作频率,都会导致电感饱和及过热。


MOSFET


在小功率的DC/DC变化中,Power MOSFET是最常用的功率开关。MOSFET的成本比较低,工作频率比较高。

设计中选取MOSFET主要考虑到它的导通损耗和开关损耗。

要求MOSFET要有足够低的导通电阻RDS(ON)和比较低的栅极电荷Qg。


Part3 给Boost电路穿上保护衣


在前面部分,我们从充放电的角度了解了Boost电路以及 Boost电路参数的设计。


Boost电路作为一种非隔离的升压电路,其结构简单,容易设计,成本低廉,被广泛应用于各种不需要隔离的升压场合,特别是有源PFC电路中应用最为广泛。


较于BUCK或其他的隔离电路,BOOST电路的保护似乎更麻烦。


对于一般的保护电路而言,当输入欠压,过压,输出过流,短路,过压,过温度的时候,我们会要求电路会自动关闭输出,或实现打嗝式的保护,以利于后面的负载或电路受到及时的保护,避免损坏;但对于BOOST电路而言,因升压电感,输出整流二极管是串联在输入与输出的回路中,即使是完全关闭MOSFET的驱动,输出也会有一个比输入电压低电感直流压降跟二极管正向导通压降的电压,这也就是说不能完全关闭输出,没有达到我们想要的保护效果。


下面有几种解决方案,可以用来给BOOST电路保护。


①可以在输入端加MOS作关断保护。这个是一种很好的方法,但MOSFET的控制比较复杂,而且需要高电压大电流的MOSFET,这样会增大系统的成本,而且会降低可靠性。其结果是输入端的电压相对低些,而且加在输入端更方便实现软启动,减小对MOS的冲击。但是由于输出端电流更小,加在输出端MOS功耗更小一点。

②对类似产品,日本有要求输出端必须有保险装置,通常是加可恢复保险丝。可恢复的保险丝说白了就是PTC,不适合大功率场合,而且会产生大量的损耗,把保险装置加在输出端比加在输入端损耗相对小些,而且这种方式成本更低,经济实惠。

③可以用在母线上串接继电器的方式,在关掉MOS的同时,同步切断继电器,使得主回路断开就可以切断电流回路,进一步保护二极管。继电器是一个常见的保护方法,但也有寿命短,且在开关动作时容易打火等缺点。

④如果不考虑成本和复杂性的话,完美的保护电路一定可以做的出来!但实际上,输出短路是个例,为这个“意外”花过多的成本非常不值得。


图注:第四种方案的电路设计图


1:Vin端的Fuse必须要有,防止MOS击穿造成安全隐患。

2:输出短路时,受大电流冲击的脆弱部件需要加强(图中的Rsense )。

3:  BOOST输出电流通常远小于输入电流,更远远的小于短路时的大电流,因此使用PPTC(自恢复保险丝)是可行的。PPTC动作电流可取输出电流的2~3倍,正常时,PPTC损耗非常小。

4:Boost使能脚EN电压由输出取,一但短路后,EN=0V(电压降在PPTC上),IC立即停止工作,输出电压降低到约等于输入电压,可以减小短路保护后的功耗,同时也降低PPTC两端的电压,来降低PPTC的功耗。

5:当输出短路排除后,由于PPTC的存在,EN重新得电,IC启动,BOOST重新工作。


目前很少人关注这一块,即使是目前各大厂商推出的PFC电路,只要后级一短路,后果都可想而知。保护最安全的方法是切断输入,目前的开关器件有三极管,MOSFET,IGBT,继电器,接触器等,不同的开关器件有不同的优缺点。


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