DC-DC 升压变换器的设计＊

杜艳红，周宏运

（天津农学院工程技术学院，天津300384）

随着计算机信息和电子信息技术的高速发展，电力电子设备与人们的生活联系越来越紧密。从小型简易携带电子产品到大型复杂工业工厂机器设备，里面都应用到电源管理技术。近年来，随着人们对高频率开关变换技术的运用和研究，开关变换器的建模方法和控制策略受到全世界专家学者的普遍重视[1]。如今经济、科技高速发展，对各类电子产品需求也越来越高。变换器为电子产品电源集成电路的重要部分，DC-DC 变换器应具有高可靠性、高效率、高安全性，既经济实惠，又节能环保。信息时代，人们对DC-DC 电源变换技术要求也日趋提高，稳定高效是人们对变换器要求的必然趋势[2-3]。

1 电路结构原理

在升压变换器中Boost 斩波电路应用居多，电路由输入储能部分、升压部分和滤波输出部分组成，是最简单的直流升压电路。设计方面具有结构简单、涉及元器件较少、容易调试、用途广泛等特点，尤其在直流电动机传动方面一直备受关注。拓扑结构如图1 所示，当驱动信号Vgs驱动功率开关管VF导通时，输入电源Vin通过开关管VF给升压电感Lf储能，此时负载由滤波电容Cf供能。当开关管关断时，输入电压和储能电感Lf共同向负载提供能量，同时给电容Cf充电。

图1 拓扑结构图

2 变换器模式分析

Boost 变换器有两种基本工作模式，即连续模式和非连续模式。在一个工作周期内，升压电感始终保持着储能和放能的过程，当功率开关管截止时，电感电流iLf达到最大值，然后电感通过升压二极管和输入电压共同给输出负载提供能量。当升压电感取值太小或者输出负载阻值大于一定值时，斩波电路可能由连续模式进入非连续模式。

3 DC-DC 升压控制电路设计

3.1 电流型控制模式

控制电路用芯片UC3842B 来驱动开关管的导通与关断。UC3842B 芯片是一种高性能固定频率电流模式控制器，专为离线和直流至直流变换器应用而设计。该控制芯片在国内的应用相当广泛，通过调节占空比来控制输出电压。

峰值电流型PWM 控制模式的工作原理为：输出电压Vout分压后得到反馈信号Vfb，Vfb与带隙基准电路产生的参考电压Vref经过误差放大器的比较放大后，得到误差放大信号Vea，Vea输入到PWM 比较器的负端。斜坡补偿信号与电流采样信号相互作用后产生的信号Va输入到比较器正端，PWM 比较器输出端产生一个时钟控制信号，通过逻辑控制电路或驱动电路的处理来控制功率开关管的导通与关断。该时钟信号的占空比同时受到输出电压和电感电流的控制[4]。

3.2 控制电路设计

为稳定输出预期目标电压，采用闭环反馈电流模式控制，控制原理如图2 所示。

3.3 参数整定

一个系统能稳定输出，与各器件数据规格有密切的关系。本设计要求输入电压2.7～5 V，输出电流2 A，输出电压24 V，输出纹波低于1%，效率高达95%，开关频率为50 kHz。

图2 电路控制原理图

考虑Boost 电路工作在CCM 模式下，电感满足下式：

理论上可以取很大的电感值，但随着电感值的增大，电感元件的尺寸也会增大，也会影响变换器的瞬态响应。为减少纹波信号干扰，在输出电路设计一个滤波电容，根据设计指标，电容值满足下式：

电容取值越大，滤波效果越好。其余器件规格如表1所示。

表1 器件参数

4 测试结果

基于UC3842B 控制电路在PSⅠM 环境下搭建模型并进行数据测试，改变不同输入数据，测试各个环节数据如表2所示。

根据表2 中5 组测试数据可以看出，输入电源在2.7～5 V 变化范围内，输出电压稳定在24 V 左右，波动范围±0.05 V，减小输入电压，输入电流平均值增大，经过计算分析电源效率高达95%以上，纹波也小于1%，设计的电路基本满足预期要求。

表2 测试数据

5 结论

本设计由Boost 斩波电路和基于UC3842B 的控制电路组成，通过改变占空比，使输出电压稳定在预设范围内。该控制电路结构简单、体积小、容易调试、性价比高，而且具有过流、过压、欠压多种保护功能。该升压变换器有广泛的应用前景，派生电路和应用领域更有研究价值和技术发展空间。