【導(dǎo)讀】本文探討升壓拓?fù)浔旧淼南拗?,以及如何克服這些限制。在設(shè)計(jì)和評(píng)估升壓轉(zhuǎn)換器時(shí),我們發(fā)現(xiàn)有時(shí)未能達(dá)到預(yù)期的輸出電壓,其電壓要低于期望值。
我們使用升壓轉(zhuǎn)換器,從低輸入電壓生成高輸出電壓,使用開關(guān)穩(wěn)壓器和升壓拓?fù)淇梢暂p松實(shí)現(xiàn)這種電壓轉(zhuǎn)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輸入電壓生成24 V輸出電壓,電壓增益為2。
以一個(gè)工業(yè)應(yīng)用為例,需要從24 V電源電壓生成300 V輸出電壓,輸出電流為160 mA。
圖1. 升壓轉(zhuǎn)換器電路。
還可以使用占空比來表示電壓增益:
占空比和電壓增益是升壓轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù),表示在每個(gè)周期中,開關(guān)S開啟的時(shí)長。電壓增益表示輸出電壓超出輸入電壓的比例(因數(shù))。為了生成高電壓,占空比數(shù)值會(huì)增大到接近于1,但不會(huì)達(dá)到1。
選擇具有較高的最大占空比的升壓轉(zhuǎn)換器,似乎可以從低電源電壓生成高輸出電壓。但是,這不是唯一的決定因素。除了占空比限制,還必須考慮可能達(dá)到的最大電壓增益。
電壓增益是升壓轉(zhuǎn)換器可能實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器本身的限制:在使用升壓轉(zhuǎn)換器時(shí),所有電能從輸入端傳輸?shù)捷敵龆藭r(shí),必須先暫時(shí)存儲(chǔ)起來。在開啟期間,也就是,在圖1中的開關(guān)S開啟期間,電能將暫時(shí)存儲(chǔ)在電感L中。此時(shí),圖1中的二極管D會(huì)阻斷電流流動(dòng)。
在關(guān)閉期間,電感L中暫時(shí)存儲(chǔ)的電能會(huì)放電。電感充電和放電都必須遵循電感規(guī)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(guān)閉期間為VOUT - VIN。
電壓增益較高時(shí),關(guān)閉時(shí)間可能不夠長,導(dǎo)致電感中暫時(shí)存儲(chǔ)的電能無法完全放電。因此,公式1中描述占空比的簡化公式無法表述這種限制,只有同時(shí)考慮電感的直流電阻(DCR)和負(fù)載電阻時(shí),最大電壓增益公式才算成立。參見公式2:
所以,RL和RLOAD的比值會(huì)影響可能的輸入和輸出電壓之間的比值,進(jìn)而影響升壓轉(zhuǎn)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(fù)載電阻為1.8 kΩ,電感RL的DCR為3 Ω。
圖2. 當(dāng)負(fù)載電阻高達(dá)電感DCR (RL)的600倍時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的電壓增益。
在該示例中,圖2顯示電壓增益可能達(dá)到約12.5(根據(jù)公式2演算得出)。但是,如果負(fù)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(huì)無法實(shí)現(xiàn)要求的電壓增益。
圖3顯示負(fù)載電阻和電感電阻的比值為300時(shí)的電壓增益曲線。此時(shí),選擇RL為6 Ω,負(fù)載電阻為1.8 kΩ。
圖3. 當(dāng)負(fù)載電阻高達(dá)電感DCR的300倍時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的電壓增益。
圖3顯示,在這種情況下,最大電壓增益僅為9。所以,無法將24 V輸入電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)采用升壓拓?fù)涞碾娐窌r(shí),務(wù)必要確定可能達(dá)到的最大電壓增益。需要注意,它取決于負(fù)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(dá)到所需的電壓增益,可以選擇具有更低DCR的更大電感。
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