Boost拓扑结构一直是几款既经典又基本的基础电路之一,它被运用在非常多的供电设备中。本文中讲解了学习、拆解、重组的Boost模块都是运用了UC3843的控制芯片,这款芯片是专门为设计低压电路所准备的。在以下的讲解过程中,针对Boost升压电路设计及计算过程做出了详细的讲解。
下图为2块boost模块,第一步就是得到两个模块的电路图,最直接的方法就是用万用表一根根的测量,类似“抄板”工作,但适用于初学者。
图1 两块成品升压模块
上图的模块主电路基本一致,都是典型Boost升压电路,它们使用MOSFET作为开关器件;控制芯片也一致为UC3843,是电流型PWM控制芯片,经过插接它们的芯片外围电路和参数略有不同。网上对UC3843系列芯片使用讲述得并不透彻,要想了解的更透彻惟有学习其官方文件,但UC3843的PDF版本也很多,能够找到的最好版本是UC3843(Rev. 15),另外一个UC3843A作为补充。
图2 UC3843系统图
首先,设置PWM最大占空比和频率。PWM脉冲由RT和CT谐振产生,设计RT和CT参数时,先设计最大占空比确定RT,再通过频率确定CT的数值。PDF中讲述了,PWM波形的最大占空比仅由RT函数确定,为了保护电路可以通过限制最大占空比来实现,(比如Boost电路中设置最大占空比为50%,那么输出电压最大值就不可能超过输入电压的50%)公式如下所示:
公式中已知量VRT/CT(valley)= 1.2V,VRT/CT(peak)= 2.8V,Vref= 5V,Idischg= 8.3mA,RT为谐振电阻。以Boost电路为例,为防止输出电压过高,我要求Dmax<70%,于是电阻就选择了比较常见的RT=1KΩ,Dmax=64.2%。
表1 RT与Dmax关系表
选择电阻后再根据PDF文件中提供的频率图选择电阻,比如希望PWM适当高些大于50KHz,可以减小电感量,那么找到0.8上的第二根水平线与50K竖直线的交叉处,估算到CT应该大于10nF,估计在15nF以上,看看自己的贴片电容情况,挑选比较接近的22nF的电容,CT=22nF。
图3 频率设置曲线图估算完毕后,可以依据公式核算(PDF上有说明的计算一般都有10%的误差,原因是电阻和电容的标称值都有1%~5%的误差以及温度影响)。
计算值53.4KHz,实际值53.7KHz,比较准确了。
然后,进行电压反馈环节设计。就采用最基本的方案,2脚电压反馈输入,1脚电压反馈补偿输入,如图4所示。
图4 电压反馈环节设计
2脚的参考电压是2.5V,Rf要求大于8.8K,频率不是特别高,反馈也不是要求响应特别快,因此选用大家用得多的参数Rf=100K,Cf=100pF。调节Ri和Rd的数值,就可以调节输出电压了,计算公式是:
VO=2.5*(Rd+Ri)/Rd
最后,进行电流反馈环节设计。
图5 电流反馈环节设计
3脚是电流反馈输入,参考电压值是1V(超过1V时响应,减小PWM占空比)限流靠设计RS的值,设计时由于没有合适的电阻(要同时考虑阻值和功率),只能将就选择0.05Ω/2W的电阻串上一个保险丝来代替(估计在平均电流小时应该有0.07欧左右,平均电流大时应该有0.15欧电阻,这样可以限制电流6.5A以内)。R的值比较随意,一般就是常见的1K和10K都行,但是C的值就不能太大了,不然电流反馈的延时就太大了,很容易造成过流时间太长PWM芯片才有响应的问题,而选择太小了就容易受到尖峰的干扰,选择电阻1K,电容200pF,在54KHz的频率下对电流限制还不错。
关于主电路参数设计
图6 Boost电路结构
基本结构如图6所示,主电路参数设置如下:
1、Vin工作电压 12~18V
2、Vout工作电压 20.5V
3、电感 100mH,6A工作电路
在设计参数时,最重要的是开关频率和电感平均电流,给大家一个用Matlab-simulink搭建的简易开环Boost模型,可以自己设置参数波形是否合理。以上使用的模型是开环的,启动时冲击电流很大,可以不管,因为UC3843中电流反馈可以实现软起动,只要注意看稳态时电感上的平均电流就可以了,电感电流选择上最好留50%的余量。电路原理图如下:
图7 基于UC3843的Boost升压电路原理图
解释:
1、R7、R10、R9构成输出电压反馈环节,调节R10就能改变输出电压了。这里电阻R9设置为7K是为了防止电压升得太高,如果需要的电压较高就的适当减少R9。
Vmax=2.5*(7K+51K)/7K=20.7 V
Vmin=2.5*(10K+7K+51K)/(10K+7K)=10 V
2、电阻R4,保护MOSFET,防止源极开路。
3、二极管D2一定要用低导通压降的肖特基二极管,最好能装散热片的。
4、输入输出两端的支撑电容当然越大越好,不过当参数下到1000uF时,输出已经非常好了,特别提醒:电容是有耐压值的,如果要输出30V,却用25V耐用电容,通电时间稍微长点就会爆电容。
图8 实物展示
经过模仿研究及再实践可以看出UC3843是一款不错的PWM芯片,有两个反馈环,电压环精确稳压,电流反馈可以限流保护,比单独用单片机成本低,可靠性高,同时不占用单片机资源。使用的基本是UC3843最精简的外围结构,适合初学者入手制作。如果后续配上高频变压器,使用的方式就更加丰富了。市面上还有款芯片TL494可以代替UC3843,功能差不多。
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