一种恒压输出的DC－DC 升压电路设计

董清臣，范 铭

(平顶山工业职业技术学院 自动化与信息工程学院，河南 平顶山 467001)

DC－DC 转换器广泛应用于开关电源中，DC－DC转换方式有多种，诸如buck，boost，buck－boost，Cuk 和全桥式［1］。在这5 种形式中，只有buck 和boost 是基本的转换器类型。其余各种类型均由这两种基本形式演变而来，各种类型都有优缺点。

升压转换器用于可再生能源系统中，将未经校准的直流电压逐步升高为更高的恒定输出电压，用于电池和负载。升压电路的设计和开发主要与其效率、输出功率和设计的复杂度相关。可再生能源如太阳能、风能都利用升压器作为能量传输的媒介，对电池和负载完成能量的吸收及注入过程，如图1 所示。

图1 太阳能光电转换系统模块图

能量吸收和注入的过程通过电感、电子开关、二极管和输出电容4 种元件的组合来实现，升压器的连接如图2 所示［2］。能量吸收和注入的过程为一个开关周期。另外，平均输出电压由开关的通断时间决定。在固定的开关频率下，调节通断时间的方法称为脉冲宽度调制。占空比k 被定义为导通时间与开关周期之比［3］。能量吸收和注入时，不同的开关周期使升压器工作在连续导通模式或非连续导通模式。

图2 升压器结构

1 升压器电路分析

1.1 连续导通模式

在连续导通模式中，又细分为两种模式。模式1开始于t=ton将开关SW 闭合时，如图3 所示。上升的输入电流流入电感L 和开关SW。在这种模式中，能量被储存在电感中。模式2 开始于t=toff时，开关断开。通过开关的电流将流向电感L，二极管D，输出电感C和负载R，如图4 所示。电感电流直到下个周期开关导通才开始下降。储存在电感中的能量传递给负载。因此输出电压比输入电压大很多，可表示为

其中，Vout是输出电压，k 为占空比，Vin为输入电压。

图3 模式1－在ton期间的升压器电路

图4 模式2－在toff期间的升压器电路

为使转换器工作在连续导通模式，如图5 所示，电感电流IL不为零，可计算电感L

式中，Lmin是最小电感值;k 是占空比;R 是输出电阻;f是SW 的开关频率。

图5 连续导通模式下的升压器波形

若要得到合适的输出纹波电压，输出电感为

Vr时输出电压纹波系数。Vr可表示为［4］

1.2 非连续导通周期

在这种模式下，电感电流IL不连续。在开关SW再次导通前有一段时间电流为0。如图6 所示。电感电压在这段时间内的积分值为0。

式中，T 是开关周期;Δ1是负电感电压的持续时间。

图6 非连续导通模式下升压器波形

之前计算的Lmin是工作在连续导通模式的最小电感值，因此Lmin低于最小值会使升压器工作在非连续导通模式。在非连续导通模式下的峰－峰值纹波输出电压，如式(3)所示。

2 DC－DC 升压转换器设计

本文所述的升压器工作在连续导通模式，为使波动的输入电压逐步提升为更高的24 V 的恒定输出电压。参照［5］，由于寄生效应的存在，占空比在0 ～0.75之间。详细规格如表1 所示。

表1 升压器参数

为得到恒定的输出电压，采用电压反馈控制系统。该控制系统中，测量得到的输出电压与参考电压相比较，差值用来生成脉冲宽度调制信号。输出电压的任何变动都会引起PWM 信号的占空比的变化。为生成一系列PWM 信号，使用了PIC16F877 微控制器产生的20 kHz PWM 信号，电压反馈控制的控制流程［6］如图7 所示。

图7 工作流程图

2.1 电子开关的选择

开关SW 的选择依据电压与电流额定值，其值应高于最大输入电压值和电流值。本设计要求转换器的额定功率为100 W，输入电压范围时6 ～23 V。因此，电子开关如功率MOSFET，IGBT，BJT 和晶闸管处理能力应满足所提出设计的规范［7］。

2.2 电感的选择

式(2)是升压器工作在连续时间模式的最小电感值，因此选择的电感值应高于计算值。推荐使用铁氧体磁芯或等同的的电感器。

2.3 二极管的选择

二极管反向电压额定值是选择时首要考虑的目标。其他需要考虑的因素诸如，防止二极管进入截止状态的能力和具有足够大的峰值及合适的平均电流，快速开关特性，低反向恢复电流，低正向电压降等。

2.4 电容的选择

式(3)是计算的纹波电压的最小电容值，选取电容的大小应高于计算值。另一个重要考虑因素是等效电阻ESR。因为电容的ESR 影响效率，低ESR 电容可得到更好的性能。可通过并联电阻减小ESR［8］。基于前面的计算过程及注意事项，列出了本设计所采用的器件，如表2 所示。

表2 升压器元器件列表

3 仿真结果

根据本设计的参数设计要求，使用软件对升压器的性能进行仿真。不同输入电压和占空比条件下的升压器的性能如图8 和图9 所示。

图8 k=0.25 时，输出电压、电流和电感电流的仿真波形

图9 k=0.75 时，输出电压、电流和电感电流的仿真波形

仿真结果显示，所设计的升压器能够产生一个恒定的直流输出电压。瞬态应持续若干毫秒后才变稳定，瞬态响应可以通过使用阻尼电路如缓冲电路来抑制［9］，为了验证设计的升压器的性能进行了测试，电源与Vin相连，负载电阻与Vout相连，如图2 所示。实验结果如图10 所示。

图10 PIC16877 的PWM 信号和输出电压波形

实验结果表明，本文的设计电路能产生占空比为0.4 的24 V 恒压输出。表3 为升压器的实验结果。

表3 升压器实验结果

升压器的效率可通过输出功率与输入功率的比值计算得到。减少升压器的总损耗可增加效率。损耗包括开关损耗、传导损失、电感的涡流和磁滞损耗、ESR和电磁干扰。软开关如零电压和零电流开关能够降低升压器的损耗。

4 结束语

本文设计的升压器能从变化的输入电压中产生恒定的24 V 的输出电压。设计时根据设计要求，分析了元件参数选择注意事项，并给出了定量计算的方法，在设计中选取了功耗和成本均较低的PIC16F877 微控制器作为电压反馈控制技术，整体设计具有良好的性能，可广泛用于太阳能、光伏发电等相关领域。

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