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升壓電路原理分析-DC/DC升壓電路原理及工作方式詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-07-30 

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升壓電路原理分析-DC/DC升壓電路原理及工作方式詳解

升壓電路簡介

升壓電路原理是本文的重點,我們先來了解什么是升壓電路。升壓電路也叫自舉電路,是利用自舉升壓二極管,自舉升壓電容等電子元件,使電容放電電壓和電源電壓疊加,從而使電壓升高,有的電路升高的電壓能達到數倍電源電壓。


升壓電路原理

升壓電路原理如下:舉個簡單的例子:有一個12V的電路,電路中有一個場效應管需要15V的驅動電壓,這個電壓怎么弄出來?就是用自舉。通常用一個電容和一個二極管,電容存儲電荷,二極管防止電流倒灌,頻率較高的時候,自舉電路的電壓就是電路輸入的電壓加上電容上的電壓,起到升壓的作用。


自舉電路只是在實踐中定的名稱,在理論上沒有這個概念。自舉電路主要是在甲乙類單電源互補對稱電路中使用較為普遍。甲乙類單電源互補對稱電路在理論上可以使輸出電壓Vo達到Vcc的一半,但在實際的測試中,輸出電壓遠達不到Vcc的一半。其中重要的原因就需要一個高于Vcc的電壓。所以采用自舉電路來升壓。


常用自舉電路(摘自fairchild,使用說明書AN-6076《供高電壓柵極驅動器IC 使用的自舉電路的設計和使用準則》),開關直流升壓電路(即所謂的boost或者step-up電路)原理,the boost converter,或者叫step-up converter,是一種開關直流升壓電路,它可以是輸出電壓比輸入電壓高。基本電路圖見圖1.


升壓電路原理


假定那個開關(三極管或者mos管)已經斷開了很長時間,所有的元件都處于理想狀態,電容電壓等于輸入電壓。下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。


(1)充電過程

升壓電路原理的充電過程,在充電過程中,開關閉合(三極管導通),等效電路如圖二,開關(三極管)處用導線代替。這時,輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電,所以電感上的電流以一定的比率線性增加,這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加,電感里儲存了一些能量。


升壓電路原理


(2)放電過程

升壓電路原理的放電過程。如圖,這是當開關斷開(三極管截止)時的等效電路。當開關斷開(三極管截止)時,由于電感的電流 保持特性,流經電感的電流不會馬上變為0,而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。而原來的電路已斷開,于是電感只能通過新電路放電,即電感開始給電容充電, 電容兩端電壓升高,此時電壓已經高于輸入電壓了,升壓完畢。


升壓電路原理


升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時,電感吸收能量,放電時電感放出能量。如果電感量足夠大,那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續的電流。如果這個通斷的過程不斷重復,就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。


升壓電路原理


常用升壓電路

1、P溝道高端柵極驅動器

直接式驅動器:適用于最大輸入電壓小于器件的柵- 源極擊穿電壓。


開放式收集器:方法簡單,但是不適用于直接驅動高速電路中的MOSFET。


電平轉換驅動器:適用于高速應用,能夠與常見PWM 控制器無縫式工作。


2、N溝道高端柵極驅動器

直接式驅動器:MOSFET最簡單的高端應用,由PWM 控制器或以地為基準的驅動器直接驅動,但它必須滿足下面兩個條件:


1、VCC<Vgs,max  


2、Vdc<VCC-Vgs,miller


浮動電源柵極驅動器:獨立電源的成本影響是很顯著的。光耦合器相對昂貴,而且帶寬有限,對噪聲敏感。


變壓器耦合式驅動器:在不確定的周期內充分控制柵極,但在某種程度上,限制了開關性能。但是,這是可以改善的,只是電路更復雜了。


電荷泵驅動器:對于開關應用,導通時間往往很長。由于電壓倍增電路的效率低,可能需要更多低電壓級泵。


自舉式驅動器:簡單,廉價,也有局限;例如,占空比和導通時間都受到刷新自舉電容的限制。


DC/DC 升壓電路原理

升壓式DC/DC變換器主要用于輸出電流較小的場合,只要采用1~2節電池便可獲得3~12V工作電壓,工作電流可達幾十毫安至幾百毫安,其轉換效率可達70%-80%。


升壓式DC/DC變換器的基本工作原理如圖所示。電路中的VT為開關管,當脈沖振蕩器對雙穩態電路置位(即Q端為1)時,VT導通,電感VT中流過電流并儲 存能量,直到電感電流在RS上的壓降等于比較器設定的閩值電壓時,雙穩態電路復位,即Q端為0。


此時VT截止,電感LT中儲存的能量通過一極管VD1供給 負載,同時對C進行充電。當負載電壓要跌落時,電容C放電,這時輸出端可獲得高于輸大端的穩定電壓。輸出的電壓由分壓器R1和R2分壓后輸入誤差放大器, 并與基準電壓一起去控制脈沖寬度,由此而獲得所需要的電壓,即V0=VR*(R1/R2+1)式中:VR——基準電壓。


降壓式DC/DC變換器的輸出電流較大,多為數百毫安至幾安,因此適用于輸出電流較大的場合。降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路如圖所示。VT1為開關管,當VT1導通時,輸入電壓Vi通過電感L1向負載RL供電,與此同時也向電容C2充電。


在這個過程中,電容C2及電感L1中儲存能量。當VT1截止時,由儲存在電感L1中的能量繼續向RL供電,當輸出電壓要下降時,電容C2中的能量也向RL放 電,維持輸出電壓不變。二極管VD1為續流二極管,以便構成電路回路。輸出的電壓Vo經R1和R2組成的分壓器分壓,把輸出電壓的信號反饋至控制電路,由 控制電路來控制開關管的導通及截止時間,使輸出電壓保持不變。


升壓電路原理


DC/DC升壓有三種基本工作方式:


一種是電感電流處于連續工作模式,即電感上電流一直有電流;


一種是電感電流處于斷續工作模式,即在開關截止末期電感上電流發生斷流;


還有一種是電感電流處于臨界連續模式,即在開關截止期間電感電流剛好變為“0”時,開關又導通給電感儲能。


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