如何克服升壓轉換器本身的限制

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作者:ADI電源管理專家Frederik Dostal 摘要 本文探討升壓拓撲本身的限制以及如何克服。在設計和 […]

作者:ADI電源管理專家Frederik Dostal

摘要

本文探討升壓拓撲本身的限制以及如何克服。在設計和評估升壓轉換器時,我們發現有時未能達到預期的輸出電壓,其電壓要低於期望值。

簡介

我們使用升壓轉換器,從低輸入電壓產生高輸出電壓。使用開關穩壓器和升壓拓撲可輕鬆實現此種電壓轉換。但是,電壓增益本身存在限制。電壓增益是輸出電壓與輸入電壓的比值。如果從12 V輸入電壓產生24 V輸出電壓,電壓增益為2。

以一個工業應用為例,需要從24 V電源電壓產生300 V輸出電壓,輸出電流為160 mA。

Figure 1. A boost converter circuit. Figure 1. A boost converter circuit.

圖1. 升壓轉換器電路。

還可以使用工作週期來表示電壓增益

Equation 01

工作週期和電壓增益是升壓轉換器的主要參數。工作週期表示在每個週期中,開關S開啟的期間。電壓增益表示輸出電壓超出輸入電壓的比例(因數)。

為了產生高電壓,工作週期數值會增大到接近於1,但不會達到1。

選擇具有較高的最大工作週期的升壓轉換器,似乎可以從低電源電壓產生高輸出電壓。但是,這不是唯一的決定因素。除了工作週期限制,還必須考慮可能達到的最大電壓增益。

電壓增益是升壓轉換器可能實現的最大輸出電壓與可用的輸入電壓的比值。我們可以這樣理解升壓轉換器本身的限制:在使用升壓轉換器時,所有電能從輸入端傳輸到輸出端時,必須先暫時儲存起來。在開啟期間,也就是,在圖1中的開關S開啟期間,電能將暫時儲存在電感L中。此時,圖1中的二極體D會阻斷電流流動。

在關閉期間,電感L中暫時儲存的電能會放電。電感充電和放電都必須遵循電感規則。在每種情況下,電流由電感值和電感兩端的電壓差決定。電感兩端的電壓可以簡單描述為:充電期間為VIN,關閉期間為VOUT – VIN

電壓增益較高時,關閉時間可能不夠長而導致電感中暫時儲存的電能無法完全放電。因此,公式1中描述工作週期的簡化公式無法表述這種限制。只有同時考慮電感的直流電阻(DCR)和負載電阻時,最大電壓增益公式才算成立。參見公式2:

Equation 02

所以,RL和RLOAD的比值會影響可能的輸入和輸出電壓之間的比值,進而影響升壓轉換器的電壓增益。該電壓增益可以如圖所示。圖2所示的示例中,輸入電壓為24 V,輸出電壓為300 V,電流為160 mA,負載電阻為1.8 kΩ,電感RL的DCR為3 Ω。

Figure 2. A possible voltage gain when the load resistance is 600 times as high as the DCR (RL) of the inductor. Figure 2. A possible voltage gain when the load resistance is 600 times as high as the DCR (RL) of the inductor.

圖2. 當負載電阻高達電感DCR (RL)的600倍時可能實現的電壓增益。

在該示例中,圖2顯示電壓增益可能達到約12.5(根據公式2演算得出)。但是,如果負載電阻降低(即:輸出電流增高),或者電感的DCR (RL)增高(即:電感尺寸減小),將會無法實現要求的電壓增益。

圖3顯示負載電阻和電感電阻的比值為300時的電壓增益曲線。此時,選擇RL為6 Ω,負載電阻為1.8 kΩ。

Figure 3. A possible voltage gain when the load resistance is 300 times as high as the DCR of the inductor. Figure 3. A possible voltage gain when the load resistance is 300 times as high as the DCR of the inductor.

圖3. 當負載電阻高達電感DCR的300倍時可能實現的電壓增益。

圖3顯示,在此種情況下,最大電壓增益僅為9。所以,無法將24 V輸入電壓轉換為300 V輸出電壓。所選的DCR,或者電感的RL太高了。

總之,在設計採用升壓拓撲的電路時,務必要確定可能達到的最大電壓增益。需要注意其取決於負載電阻(也就是輸出電流)和電感的DCR。如果情況顯示似乎無法達到所需的電壓增益時,則可選擇具有更低DCR的更大電感。

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