Boost電路的基本原理
基于ST公司的L6562,我們詳細(xì)分析了磁性元件的設(shè)計方法。并設(shè)計如圖的Boost電路拓?fù)?,如圖1所示。圖中,當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時,電流,IL流過電感線圈L,在電感線圈未飽和前,電流線性增加,電能以磁能的形式儲存在電感線圈 中,此時,電容Cout放電為負(fù)載提供能量;而當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時,由于線圈中的磁能將改變線圈L兩端的電壓VL卡及性,以保持其電流IL不突變。這樣,線 圈L轉(zhuǎn)化的電壓VL與電源Vin串聯(lián),并以高于輸出的電壓向電容和負(fù)載供電,如圖2所示是其電壓和電流的關(guān)系圖。圖中,Vcont為功率開關(guān) MOSFET的控制信號,VI為MOFET兩端的電壓,ID為流過二極管D的電流。以電流,IL作為區(qū)分,Boost電路的工作模式可分為連續(xù)模式、斷續(xù)、模式和臨界模式三種。
Boost電路電壓和電流關(guān)系
分析圖2,可得:
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式(2)即為Boost電路工作于連續(xù)模式和臨界模式下的基本公式。
臨界狀態(tài)下的Boost-APFC電路設(shè)計
基于L6562的臨界工作模式下的Boost-APFC電路的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示,圖4所示是其APFC工作原理波形圖。
臨界APFC工作原理波形圖
L6562的引腳功能如下:
INV:該引腳為電壓誤差放大器的反相輸入端和輸出電壓過壓保護(hù)輸入端;
COMP:該引腳同時為電壓誤差放大器的輸出端和芯片內(nèi)部乘法器的一個輸人端。反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)接在該引腳與引腳INV之間;
MULT:該引腳為芯片內(nèi)部乘法器的另一輸入端;
CS:該腳為芯片內(nèi)部PWM比較器的反相輸入端,可通過電阻R6來檢測MOS管電流;
ZCD:該腳為電感電流過零檢測端,可通過一限流電阻接于Boost電感的副邊繞組。R7的選取應(yīng)保證流入ZCD引腳的電流不超過3 mA;
GND:該引腳為芯片地,芯片所有信號都以該引腳為參考,該引腳直接與主電路地相連;GD:為MOS管的驅(qū)動信號輸出引腳。為避免MOS管驅(qū)動信號震蕩,一般在GD引腳與MOS管的柵極之間連接一十幾歐姆到幾十歐姆的電阻,電阻的大小由實際電路決定;
VCC:芯片電源引腳。該引腳同時連接于啟動電路和電源電路。
另外,在電路設(shè)計時,穩(wěn)壓管D2應(yīng)選用15 V穩(wěn)壓管,電容C2應(yīng)選用10μF的電解電容;二極管D5應(yīng)選用快恢復(fù)二極管(如1N4148);電阻R3應(yīng)選用幾百千歐的電阻。
圖5給出了由L6562構(gòu)成的APFC電源的實際電路圖。圖中,輸入交流電經(jīng)整流橋整流后變換為脈動直流,作為Boost電路的輸入;電容C4用以濾除電 感電流中的高頻信號,降低輸入電流的諧波含量;電阻R1和R2構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò),用以確定輸入電壓的波形與相位,電容C10用以慮除3號引腳的高頻干擾信 號;Boost電感L的一個副邊繞組,一方面通過電阻R7將電感電流過零信號傳遞到芯片的5腳,另一方面作為芯片正常工作時的電源;芯片驅(qū)動信號通過電阻 R8和R9連到MOS管的門極;電阻R11作為電感電流檢測電阻,用以采樣電感電流的上升沿(MOS管電流),該電阻一端接于系統(tǒng)地,另一端同時接在 MOS管的源極,同時經(jīng)電阻R10接至芯片的4腳;電阻R5和R6構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò),同時形成輸出電壓的負(fù)反饋回路;電容C9連接于芯片1、2腳之間,以 組成電壓環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò);電阻R4,電容C6,二極管D5,穩(wěn)壓管D6和Boost電感的副邊則共同構(gòu)成芯片電源。
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本設(shè)計采用AP法則來設(shè)計Boost電感。其原理是首先根據(jù)設(shè)計要求計算所需電感:
式中,Virms為輸入電壓有效值;Vo為輸出電壓,fsw(min)為MOS管的最小工作頻率,通常在20kHz以上;Pi為輸入功率。計算要求的AP值為:
式中,Ku為磁芯窗口利用率,Jc為電流密度,IL(pk)為電感電流峰值。
根據(jù)(4)式的計算結(jié)果可選擇磁芯的AP值(大于AP_req,AP=AeAw,單位為m4)。
然后根據(jù)所選磁芯來計算原邊匝數(shù)及所需氣隙。副邊匝數(shù)一般按10:1選取。
實驗波形分析
為了驗證以上設(shè)計的合理性,本文設(shè)定最小輸入電壓為187 V,最大輸入電壓為264 V,輸入頻率為50 Hz,輸出電壓為400 V,PF=0.99,效率為87%,輸出功率26.5 W,最小工作頻率為65 kHz來進(jìn)行實物實驗,同時根據(jù)計算,并通過IL(pk)=465.3 mA來選取導(dǎo)線為mm,Jc=4/mm2,L=2.99 mH(L=2.7 mH時,驗證最小頻率為72 kHz>65 kHz,可滿足設(shè)計要求)。
設(shè)Ku=0.3,δBmax=0.3T,由(4)式計算得:
AP_req(min)=6.64×10-10m4
這樣,可選擇磁芯EE16/6/5,其AP=7.5×10-10m4,可滿足設(shè)計要求;而由(5)式計算得Np=218.1匝,取215匝,并驗證δBmax=0.304T,氣隙lgap=0.41 mm
根據(jù)以上計算參數(shù)所搭建的試驗?zāi)P蛠磉M(jìn)行的結(jié)果如圖6所示。
總結(jié):
本設(shè)計引用AP法則設(shè)計其關(guān)鍵元器件—Boost電感。既讓啟動電流小,外圍器件少。并且成本低廉。又同時滿足電源系統(tǒng)重量輕,穩(wěn)定性好,可靠性高等要求。證明AP法則確實是一種快速準(zhǔn)確的設(shè)計方法。
小伙伴們,有沒有受益匪淺呢?
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