一種高效同步boost電路

石易立

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226010)

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一種高效同步boost電路

石易立

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226010)

摘要：boost升壓電路在電子電路設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。文章提出一種新型同步boost電路，其結(jié)構(gòu)簡單，性能突出。用Cadence軟件進(jìn)行模擬仿真，系統(tǒng)頻率為100 kHz，3.3 V輸入，5 V/2.5 A輸出，效率達(dá)到95%。

關(guān)鍵詞：boost電路；同步整流；高效

引用格式：石易立. 一種高效同步boost電路[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(13)：34-36.

0引言

boost電路在電子電路設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是各種電源電路和太陽能控制電路中，例如MPPT太陽能控制器最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)、移動電源領(lǐng)域等。高效率、高頻率和小型化一直是其追求的目標(biāo)。由于boost電路中包含電容電感等非線性器件，這些對高性能的boost電路設(shè)計(jì)帶來了諸多不確定性和難度，也使高效boost電路設(shè)計(jì)成為研究的熱點(diǎn)之一。本文提出了一種同步boost電路，采用一些新型結(jié)構(gòu)使得電路的基本指標(biāo)達(dá)到要求，性能得到一定改善。

1boost電路原理

boost電路基本原理如圖1所示。

圖1　boost電路基本原理圖

2同步電路boost電路原理

同步boost電路基本原理如圖2所示。

圖2　同步boost電路基本原理圖

與圖1相比，圖2中用MOS管Q2取代了二極管D。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)Q2截止，Q1截止時(shí)Q2導(dǎo)通，Q2取代了二極管的功能。由于Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)都可以讓其處于飽和導(dǎo)通[2]，這樣Q2管上的功耗將大大降低，提高了整體效率。這樣一種同步導(dǎo)通截止的電路就稱為同步boost電路。其詳細(xì)驅(qū)動電路如圖3所示。圖3中AC為PWM信號源產(chǎn)生高電平為5 V、低電平為0 V的方波信號。Vcc為電源電壓5 V。Q4、R3、R4組成簡單反向器[3]。當(dāng)AC為高電平時(shí)，Q4飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平，Q3導(dǎo)通。當(dāng)AC為低電平時(shí)，Q4截止，集電極輸出高電平，Q3截止。從而使當(dāng)AC為高電平時(shí)，Q5截止，Q2截止，Q3導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通，電感充電；當(dāng)AC為低電平時(shí)，Q5導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通，Q3截止，Q1截止，電感放電，電容充電。實(shí)現(xiàn)了boost電路的基本功能。

圖3　同步boost驅(qū)動電路示意圖

事實(shí)上，這樣的同步boost電路的同步性卻不盡如人意。在Q1導(dǎo)通時(shí)，Q2并不能很好地同時(shí)截止，反過來，Q2導(dǎo)通時(shí)，Q1也不能真正地同時(shí)截止[1]。它們之間的這種時(shí)間差會在Q1、Q2、C回路中產(chǎn)生較大的電流和功耗。產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)橐还軐?dǎo)通時(shí)另外一管不能很快地截止。在Q1、Q2 MOS管的G極與S極之間存在一定的結(jié)電容，當(dāng)VGS=5 V時(shí)，GS結(jié)電容充滿電，而當(dāng)VGS=0 V時(shí)，GS結(jié)電容通過電阻R1、R6放電，CGS與R1(或R6)組成一個(gè)RC放電回路[4]。放電的快慢直接決定了MOS管的關(guān)斷速度。放電越快MOS管的關(guān)斷速度越快，放電越慢MOS管的關(guān)斷速度越慢，所以只有當(dāng)時(shí)間常數(shù)τ=RC比較小、放電快時(shí)才能帶來很好的一致性。當(dāng)結(jié)電容處于一個(gè)較為一致的水平時(shí)，降低電阻R就成了一個(gè)有效的手段。雖然當(dāng)電阻R1、R6降到一定程度時(shí)，一致性可得到有效的改善，但同時(shí)也會帶來新的問題，過小的R1、R6會使R1、R6上面的功耗變得非常大，同樣影響整體效率。一個(gè)進(jìn)一步改進(jìn)的辦法是用新的MOS管取代電阻R1、R6。

3改進(jìn)型同步boost電路

改進(jìn)型同步boost電路如圖4所示。

圖4　改進(jìn)型同步boost電路示意圖

圖4中用兩個(gè)MOS管(Q8、Q9)及其驅(qū)動電路(Q6、Q7)取代圖3中的R1、R6。通過電路分析可以得到，當(dāng)AC為高電平時(shí)，Q6截止，Q8截止，呈現(xiàn)高阻態(tài)，Q1導(dǎo)通；同時(shí)Q7導(dǎo)通，Q9導(dǎo)通，呈現(xiàn)低阻態(tài)，Q2的CGS迅速放電，Q2迅速關(guān)斷，與Q1的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了良好的一致性。同時(shí)，AC高電平時(shí)，Q5又處于截止?fàn)顟B(tài)，Q9中沒有電流流過，Q9的低阻態(tài)不會引起功耗的上升，很好地解決了圖3中R1、R6低阻值時(shí)帶來的溫升。反之，AC低電平時(shí)，Q7截止，Q9截止，Q2導(dǎo)通；另一端的Q6導(dǎo)通，Q8低阻態(tài)，Q1迅速關(guān)斷。如此往復(fù)，Q1、Q2交替導(dǎo)通、截止，實(shí)現(xiàn)了boost電路升壓的基本功能又降低了功耗，提高了整體性能。

4模擬仿真

結(jié)合上述原理，最后用Cadence軟件模擬了圖4中boost電路的工作過程。電路中Q1、Q2采用IRF3205，Q8、Q9采用IRF320。電感選擇0.5 mH，電容選擇0.5 mF，PWM頻率100 kHz，上升沿下降沿時(shí)間各為200 ns。輸入電壓設(shè)為3.3 V，其余電路參數(shù)已在圖4中標(biāo)出。

當(dāng)占空比D=0.36時(shí)，輸出電壓、輸入功率、負(fù)載功率如圖5～圖7所示。

電源電壓Vcc發(fā)出功率如圖8所示。約為0.2 W。

圖5　占空比D=0.36時(shí)輸出電壓

圖6　占空比D=0.36時(shí)負(fù)載消耗功率

圖7　占空比D=0.36時(shí)輸入電壓發(fā)出功率

圖8　電源電壓Vcc發(fā)出功率

可算出占空比D=0.36時(shí)，效率為：

5結(jié)束語

綜上所述，本文提出的同步boost電路有著結(jié)構(gòu)新穎，性能優(yōu)良的特點(diǎn)。在各種電子電路設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[4] 曹京生.電工技術(shù) [M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

中圖分類號：TN710.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.011

(收稿日期：2016-03-14)

作者簡介：

石易立(1983-)，男，碩士，講師，主要研究方向：電子電路設(shè)計(jì)。E-mail：shiyl@ntsc.edu.cn。

A high-efficiency synchronous boost circuit

Shi Yili

(Department of Machinery and Electric, Nantong Shipping College, Nantong 226010, China)

Abstract:The boost circuit is widely used in the design of electronic circuit. This paper presents a novel synchronous boost circuit, which has a simple structure and high-efficiency. Simulated with Cadence software, the system frequency is 100 kHz, the efficiency is 95% with 3.3 V input and 5 V/2.5 A output.

Key words:boost circuit; synchronous rectification; high-efficiency