IC内部集成MOSFET的升压转换电路计算

Posted 2020-12-17 --destroyer--

　　这篇文章给出计算一个IC集成开关且工作在CCM模式下下的升压变换器的计算公式。并不打算介绍升压变换器的功能或者是如何补偿变换器。

1.升压变换器的基础配置

　　如图1展示的一个升压变换器的基础配置，其中开关管集成在芯片内部，

通常低功率电源变换器使用一个二极管代替第二个集成在芯片内部的开关。如果是这种情况的话，除了二极管功耗方程以外，其他等式都成立。

 

 

1.1功率级的必要参数

 

　　如下四个参数在设计功率级时一定要计算出来：

 

　　1.输入电压范围

 

 

 　　　2.正常输出电压：

 

 

 　  3.最大输出电流：

　　　4.集成电路用于建立升压变换器。这是必须的，因为一些计算参数是必须从数据手册中获取的。

 

如果这些参数已知，就可以计算功率级了。

2.计算最大开关电流

　　计算开关电流的第一步就是判断占空比，D，在最小输入电压下的占空。使用最小输入电压是由于他决定着最大开关电流。

 

 

 =最小输入电压

 

 

=期望的输出电压

 

 

 =转化器的效率，估计是80%。

　　这个效率被加到占空比计算公式中，因为，转换器的传递的能量是有损耗的，这个计算公式比不计算效率直接得出的占空比更有实际意义。

　　或者是一个估计的因素，比如，80%（对于升压转换器来说，最坏效率的情况下，这时不现实的），可以使用或查看所选用的转换器手册的典型特性。

　　下一步就是计算最大开关电流是决定电感纹波电流。在转换器数据手册中，通常情况下，一个典型的电感或者是一个范围的电感指定和IC一起使用。因此，要么使用推荐的电感值来计算纹波电流，或者是推荐范围中间的一个值，又或者是在手册中没有给出，可以使用后续电感选择部分计算出来的电感值，都是可以的。

（1）

 =最小输入电压

D=占空比——之前的计算公式计算出来的

=转换器的最小开关频率

L=选择的电感值

现在必须决定是否选择的IC可以转换最大的输出电流。

 

=集成开关管的最小电流限制限制值（数据手册给出）

=前面公式计算出的电感纹波电流

 D=占空比——之前的计算公式计算出来的

 　　如果计算的所选芯片的最大输出电流，要比心痛要求的最大输出电流要低，应该选择另一种更高开关电流限制的芯片。

　　如果计算值只是比所需要的小一点点，可以使用这个芯片，使用时就要在推荐范围内选择更大电感值的电感。更大的电感会减小纹波电流，从而增加所选择芯片的最大输出电流。

　　如果计算值高于应用的该应用的最大输出电流，需要计算系统最大开关电流：

=前面公式计算出的电感纹波电流

　=应用必须的最大输出电流

 D=占空比——之前的计算公式计算出来的

 

  这是峰值电流，电感，集成开关(ES)和外部二极管必须承受。

3.电感选择

　　通常情况下，数据手册只给出推荐电感值的范围。如果是这种情况下，在推荐的电感值中选择一个电感值。更高的电感值，更高的最大输出电流，因为减少了纹波电流。

　　更小的电感值，电路板的尺寸就会减小， 请注意，电感必须始终具有比方程4中给出的最大电流更高的电流额定值，因为电流随着电感的减小而增加。

　　当一些手册中没有给出电感范围时，可以使用下式很好的估算正确的电感值：

　　

 

 

 =典型输入电压

 

=期望输出电压

 

 

=转换器的最小开关频率

 

 

=估计电感纹波电流，见下文

　　电感纹波电流不能通过1式得到，因为电感的感值是不知道的。 电感纹波电流的20%~40%是输出电流的一个很好的估计。

　　

 =估计的带感纹波电流

 

 

=应用必须的最大输出电流

 

 

 

 

 4.整流二极管选择　　

　　为了减小损耗，应该使用肖基特二极管。需要计算正向电流大小，他等于最大输出电流：

 

 　　肖特基二极管有比平均峰值电流更高的峰值电流。因此，系统中的高峰值电流不是问题。

　　另一个参数，是要考虑二极管的功耗。

　　

 

 

 5.输出电压设置

　　几乎所有的输出电压都是通过一个电阻分压网络（当输出时固定的时候，电阻网络是集成在芯片内部的）。

　　给定的反馈电压和反馈偏置电流和分压器就可以计算出来。

 

 

 

 

 通过电阻分压器的电流应至少是反馈偏置电流的100倍：

　　

 

 

这会在电压测量上增加小于1%的不准确度。这个电流也可以设置稍微大一点。坏处就是更小的电阻值会在电阻分压器上产生更大的功耗，但是准确度有一定的增加。

联合上面的式子，可以通过以下计算出电阻值：

 

6.输入电容选择

　　输入电容的最小值通常会在数据手册中给出。由于开关电源的峰值电流要求，输入电容的最小值必须稳定输入电压。最好的做法就是使用低等效串联 电阻（ESR）的陶瓷电容。介质材料应该是X5R或者使用更好的。否则，电容会因为直流偏置或者是温度而失去他的电容量。

　　但输入电压有较大噪声时，适当的增加电容值。

7.输出电容选择

　 最好做法就是使用低等效串联（ESR）电阻的电容来减小输出电压的纹波。陶瓷电容式一个不错的选择如果介质材料为X5R或者更高。　

　 如果变换器有外部补偿，所有在数据手册上推荐的最小电容值以上的电容，但是补偿电路必须根据输出电容调整。

　 有内部补偿的转换器，对于LxC的比率，应该使用在数据手册中推荐的电感和电容值，或者是根据数据手册中关于输出电容和应用选择。

　当使用的是需要外部补偿电路是，使用下面的式子调整输出电容值来得到一个期望的电压纹波：

　

 

8.计算升压变换器功率级的方程