一种新型高效率BOOST变换器的设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 通镌电碌技　２００８年５月２５日第２５卷第３期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｍａｙ　２５，２００８，Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．３　文章编号：１００９—３６６４（２００８）０３—００３９—０３一巍嘲霸女　种新型高效率ＢＯＯＳＴ变换器的设计　林国汉　（湖南工程学院电气与信息工程系，湖南湘潭，４１１１０１）　摘要：文中应用ＬＭ３４７８设计制作了一种新型的Ｄｃ／Ｄｃ变换器，对变换器的设计进行了详细分析。测试结果表明，　所设计的变换器具有稳定性好，效率高、纹波小等优点，能广泛应用于充电器、汽车电源系统、通信系统中。　关键词：ＬＭ３４７８；ＤＣ—ＤＣ变换器；电流保护；Ｂ（）０ＳＴ电路　中图分类号：ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｈｉｇｈ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　Ｂｏｏｓｔ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ＬＩＮ　Ｇｕｃ￣ｈａｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１１０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｅｎｃｙ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｕｓｉｎｇ　４７８．Ｄｅｔａｉ１　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｄｅｓｉｎｅｄ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔｇａｇｅ　ｏｆ　ｇｏｏｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｓｍａｌｌ　ｒｉｐ—　ｐｉｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｎｅｇｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｃｈａｒｇｅｒｓ，ｔｅｌｅｃｏｍ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｉｓ　ａｅｎｄ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬＭ３４７８；ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；Ｂ（＝）（）ｓＴ　ｃｉｒｃｕｉｔ　０　引　言　随着现代电子技术的发展，系统对电源性能的要　正，电感中能量释放，与输入电压顺极性一起经二极管　向负载供电，并同时向电容充电。这样把直流低压变换　成直流高压，其输出电压平均值将超过电源电压［２］。输　求越来越高。开关电源是一种采用功率半导体器件作　为开关元件，通过控制开关元件的开关占空比来调整　输出电压大小的装置，它具有体积小、重量轻、变换效　率高等优点，被广泛应用于各种电子设备中。　出电压（忽略ＭＯＳＦＥＴ管和二极管上的压降）为：　ｕ唧＝　（１）　或者　Ｕｏｔｒｒ＋Ｕ。＝　（２）　１升压型变换器｛ｍＯＳＴ）的工作原理　开关电源的的核心是电力电子开关电路，根据负　载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反　馈控制电路，采用ＰＷＭ控制方式，对开关电路进行控　式中，Ｕｏ为二极管导通时的压降；Ｕ、，为ＭＯＳＦＥＴ导　通时的压降；Ｄ为ＰＷＭ信号的占空比。　２　ＢＯＯＳＴ变换器设计　２．１　ＬＭ３４７８功能介绍　制。开关电源的常见的拓扑结构多达十几种，其中在　集成电路芯片中最常见的是Ｂｕｃｋ型、Ｂｏｏｓｔ型和　Ｂｕｃｋ—Ｂｏｏｓｔ型。其中升压型变换器（Ｂ００ＳＴ）又称为　并联型开关变换器，电路如图１所示。　ＬＭ３４７８是一种多功能的可以用于低端Ｎ沟道　场效应管开关控制的控制器。采用ＭＳＯＰ一８封装。　ＬＭ３４７８工作频率很高。通过对一个外部电阻进　行调整，Ｌ＾仍４７８的开关频率可以在１００　ｋＨｚ到１　ＭＨｚ　之间变化。ＬＭ３４７８使用脉宽调制（ＰＷＭ）电流模式控　制的结构。流经ＭＯＳｎ　管的峰值电流通过外部检测　电阻进行检测并通过ＬＭ３４７８的　引脚进入脉宽调　制比较器的正输入端。输出电压通过外部反馈电阻分　压器网络进行检测，并反馈到误差放大器的负输入（反　馈脚ＦＢ）。误差放大器的输出（ＣＯＭＰ引脚）加到斜坡　补偿通道并输入到脉宽调制比较器的负输入端。　在开关周期的起始时刻，内部振荡器使用ＳＥＴ／　ＢＬＡＮＫ—Ｏ１ｊＴ模块和开关逻辑模块对内部ＲＳ触发器　进行设置。强迫ＬＭ３４７８的驱动引脚ＤＲ上产生一个　图１升压型（ＢＯＯＳＴ｝变换器的原理图　采用这种技术的优点是可以获得输出稳定、响应　快速、节能效果明显。ＢＯＯＳＴ变换器由功率晶体管　Ｖ　、储能电感ＬＩ、二极管ＶＤ及滤波电容Ｃ　组成＿１］。　当晶体管Ｖ１导通时，电源向电感储能，电感电流增　加，电感上的感应电动势为左正右负，负载由电容Ｃ２供　电。当　截止时，电感电流减少，感应电动势为左负右　收稿日期：２００７～１２—２８　作者简介：林国汉（１９７３一），男，广东高州人，硕士，讲师，主要　从事数字信号处理、电力电子技术方面的研究与教学工作。　高电平信号（接到Ｍ　；ｎ　管的门控端）从而使ＭＯＳ＿　ＦＥＴ管导通。当ＰＷＭ比较器的正输入端的电压大于　负输入端电压时，ＲＳ触发器重置，Ｍ　；ｎ　关断。　・　ｑ・　维普资讯 http://www.cqvip.com

通德电潦　２００８年５月２５日第２５卷第３期　术　Ｍａｙ　２５，２００８，Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．３　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　外部检测电阻上的电压信号通常含有比较严重的　噪声毛刺，这些毛刺会强迫ＰＷＭ比较器将ＲＳ触发器　永久重置。为了防止毛刺重置触发器，在ＲＳ触发器触　发的时候，芯片内部的一个ＢＩ，ＡＮＫ—ＯＵＴ电路能防止　ＰＷＭ比较器在一段时间内重新触发ＲＳ触发器。　在轻载或空载的情况下，在熄灭时间内，当外部　ＭＯＳＦＥＴ管导通的时候，电流流经输出电容而不经过　负载。芯片内部的过压比较器能防止输出电压在这种　情况下突变。过电压比较器对反馈电压进行检测并重　坐　也是常量。ｆ（ｓ）　图３电感电流　因此，对于一个给定的输入电压，电　置ＲＳ触发器。触发器保持重置状态直到输出电压下　感上的电流以恒定的速率变化。　降到额定值为止。　２．２　Ｂ（）　汀电路设计　所设计的电路如图２所示。该电路能在输入直流　电压为２．７　Ｖ～１０　Ｖ，输出５　Ｖ～２０　Ｖ，图２中，在反　馈引脚和地之间接了一个１００　ｐＦ的电容是为了降低　噪声　引。　要在输出端得到一个稳定的，纹波小的输出电压，　外围元器件的选择很重要。因此，接下来讨论一些重　要元器件的选择，这些选择对以Ｂｏｏｓｔ变换器的性能　至关重要。　图２　Ｂｏｏｓｔ电路　２．２．１电感的选择　电感是ＢＯＯＳＴ变换器的储能元器件之一，电感　值对于在开关断开期间保持流向负载的电流很关键。　所以必须算出保持Ｂｏｏｓｔ变换器输出电流所必需的最　小电感值，以确保在输出电压和输入电流处于最差条　件下，仍能够为负载供应足够的电流。为确定最小的　电感值，需要知道如下信息：　（１）输入电压范围　（２）输出电压及其规定范围　（３）工作频率（开关频率）　（４）电感器纹波电流　（５）运行模式；连续运行模式还是非连续运行模式。　图３是当ＬＭ３４７８工作在连续模式下电感中的电　流在开关周期中变化示意图。　流经电感的电流ｉ　（ｆ）为：　ｊ：　／　、　Ｕ】（ｆ）＝Ｌ　（３）　ａ　式中，Ｕ　（￡）为电感上的电压。如果Ｕ　（ｆ）常量，则　对于如何选择一个合适的电感值，电感上的平均　电流了　和纹波电流△　是重要的参数。如果△　＞　，电感上的电流会在开关周期中的某段下降为零，　Ｂｏｏｓｔ变换器将工作在非连续方式。如果ＡｉＩ　＜△Ｊ　，　则电感上的电流会始终大于零，此时Ｂｏｏｓｔ工作在连　续方式。因此，为了使ＬＭ３４７８工作于连续方式，选　择电感时，必须满足以下条件：　ＪＬ＞ＡｉＩ　（４）　１　Ｄ＞　２　Ｌ　（５）～　　一　Ｌ＞　（６）　』ｏｕＴｆ　考虑到设计中ＬＭ３４７８工作于连续模式，此处选　用的电感是２２　Ｈ电感。　２．２．２过流保护电阻　输出电流的最大值可以通过检测电阻ＲＳＥＮ来控　制。当检测电阻上的电压与电流检测门限电压Ｕｓｚ，￣　相等时，ＬＭ３４７８内部限流开始工作。门限电压　ＵｓＥＮｓＥ和门限电流Ｊ刚（　）的关系为：　Ｉｓｗ（ｐ朗ｋ）ＲｓＥＮ＝ＵＳＥＮＳＥ　（７）　ＵＳＣＮＳｒ代表图２所示的控制信号的最大值。然而，该　控制信号，并不是一个固定值，而是随着内部斜坡补偿　（如图３）改变。因此，门限电流也会随着斜坡补偿而　改变。实际的控制信号Ｕｃｓ，可以认为是检测电压和　内部斜坡补偿的函数：　Ｕｃｓ＝Ｕｓ　Ｅ一（ＤＵｓ　）　（８）　式中，　是内部斜坡补偿电压。　流经开关的峰值电流与电感上的峰值电流相等：　Ｉｓｗ（ｐｅａｋ）＝　＋ＡｉＩ　（９）　因此，对于ＢＯＯＳＴ变换器　＝　＋　（１０）　结合式（８）、式（１０）可以算出检测电阻凡　的大小为：　＝　…　一１一Ｄ　２　／’　Ｌ－ｊ　本设计使，Ｌ｝Ｊ了ｆ）．ｆ　Ｑ的电阻。　２．２．３　Ｍ（）ＳＦＥ＇Ｉ、管的选择　ＬＭ３４７８的驱动引脚必须连接到ＭＯＳＦＥＴ管的　维普资讯 http://www.cqvip.com

通毪电潦狻】Ｉ：　２００８年５月２５日第２５卷第３　林国汉：一种新型高效率ＢＯＯＳＴ变换器的设计　Ｔｅｌｅｃｏｒｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｍａｙ　２５，２００８，Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．３　栅极。在Ｂｏｏｓｔ拓扑中，Ｎ沟道场效应管ＭＯＳＦＥＴ　管的漏极接到电感而源极接地。ＬＭ３４７８的驱动引脚　（ＤＲ）上的电压取决于输入电压。如果输入电压较大，　则选用逻辑电平的ＭＯＳＦＥＴ。如果输入电压很小，则　应选用亚逻辑电平ＭＯＳＦＥＴ。　所选的ＭＯＳＦＥＴ直接控制着效率的高低，如何　聚合物钽电容、多层瓷片电容　］Ｉ５］。本设计使用的电　容是２２　ＦＦ，３５Ｖ的电容ＥＣＪ一５ＹＦ１Ｖ１０６Ｚ。　３测试与结论　为了验证所设计的开关电源的性能，我们做了多项　测试，包括电压调整率、负载调整率、ＩＸ２－ＩＸ２变换器效　率、短路保护及纹波电压等。表１是变换器效率测试数　据。　表１　Ｂ００ｓｔ变换器效率　选用ＭＯＳＦＥＴ，主要考虑以下关键参数：　（１）最小门限电压ＵＴＨ（ＭＩＮ）；　（２）开态电阻ＲＤｓ（ＯＮ）；　（３）总门电荷Ｑ　；　（４）反向传输电容ＣＲｓｓ；　（５）最大漏极一源极电压ＵＤｓ（ＭＡｘ）。　ＭＯＳＦＥＴ的断态电压大约等于输出电压。　ＭＯＳＦＥＴ管的最大漏极～源极电压必须大于输出电　压。ＭＯＳＦＥＴ的功率损耗可以分为传导损耗、开关损　耗。需要使用通态（导通电阻）电阻ＲＤｓ（ＯＮ）来估计　传导损耗Ｐ　，最大的传导损耗ｌ４］为：　为了测量输出电压的纹波，使用带宽为２０　ＭＨｚ　模拟示波器ＭＯ　６２０ＣＨ来测量输出电压的纹波，表　２为部分测量数据。　表２输出电压纹波测量　Ｐｃｏ　ｃ一　：［１　ｌｏｕｔ）　＋（　）］　，　测量序号　纹波电压／ｍＶ　１　２００　２　２２０　３　２２０　４　２４０　５　２１０　式中，ＤＭＡＸ是最大占空比。　ＤＭＡＸ　（１—　ＩＪＩＮ　广（ＭＩＮ））　＼　ＵＯＵＴ，　（１３）　考虑到一定的余量，本设计选用了ＩＲＦ２４０作为　开关管。　２．２．４输出滤波电容的选择　与工频电路中选用的滤波电容不一样，在开关稳　压电源中作为输出滤波用的电容器，其上锯齿波电压　的频率高达数十千赫，甚至数十兆赫。它的要求和低　频应用时不同，电容量并不是主要指标，衡量它好坏的　则是它的阻抗一频率特性，要求它在开关稳压电源的工　作频段内要有低的阻抗，同时，对于电源内部，由于半　导体器件开始工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声，　亦能有良好的滤波作用，一般低频用普通电解电容器　在１０千赫左右，其阻抗便开始呈现感性，无法满足开　关电源使用要求。在这里可以选用低等效电阻和低等　效电感的电容，如：ＳＭＴ、ＳＭＴ聚合物电解电容或者　测试结果表明，所设计的Ｂｏｏｓｔ变换器效率高，启　动电流小，外围元器件少，成本低廉，能同时满足电源　系统具有重量轻、、稳定性好、可靠性高等特点的要求。　参考文献：　［１］周志敏．开关电源实用技术ＥＭ］．北京：人民邮电出版社，　２００７．　［２］Ｚｈｕ　Ｊ，Ｄｉｎｇ　ｎ　Ｚｅｒ￣ｖｏｌｔａｇｅ－ａｎｄ　ｚｅｒｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ＰＷＭ　ＩＸ－ＩＸ；ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｕｓｉｎｇ　ａｃｔｉｖｅ　ｓｎｕｂｂｅｒ［Ｊ￣．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ—　ａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９９，３５（６）：１４０６—　１４１２．　［３］　田颖．功率ＭＯＳＦＥＴ驱动保护电路设计与应用［Ｊ］．电　力电子技术．２００５，３９（１）：７３—７９．　［４］罗佳明，戴庆元．Ｂｏｏｓｔ变换电路的损耗分析［Ｊ］．电子　元器件应用，２００７，９（２）：６４—６７．　［５］ＬＭ３４７８　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ．ＮＳ公司［ｚ］．２００３．　囊叠蟊　德国开发出非易燃聚合体锂电池安全有望提高　锂离子电池为手机和ＰＤＡ提供了能量，越来越多的笔记本也依赖锂离子电池提供动力。锂离子电池的最大优势是它具有较　高的能量储存密度和电压（可达到四伏），但从安全角度考虑，锂离子电池的有机电解液容易燃烧和起火是它的一个缺陷，最近数年　来这一缺陷引起的着火事故导致锂离子电池在全球范围内被召回。　德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所（ＩＳＣ－Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ）的研究人员在维尔茨堡（Ｗａｒｚｂｕｒｇ）宣布，他们　已经优化了锂离子电池的安全。　ＩＳＣ研究团队负责人Ｋａｉ－Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ　Ｍ？ｌｌｅｒ博士表示，我们用非易燃聚合体取代易燃的有机电解液获得了成功，相对提高了锂离子　电池的安全，因为聚合体是一种固态物质，不会从电池中泄漏出来。研究人员使用的聚合体是一种硅氧链组成的无机架构化合物。　专家表示，目前他们已经开发出了新的非易燃聚合体锂离子电池原型，预期３～５年内，新型电池有望在商店的货架上出现。　摘自：比特网　・４１　’