Boost電路的基本原理

基于ST公司的L6562，我們詳細分析了磁性元件的設計方法。并設計如圖的Boost電路拓撲，如圖1所示。圖中，當開關(guān)管T導通時，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放電為負載提供能量;而當開關(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。


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電路設計

基于L6562的臨界工作模式下的Boost-APFC電路的典型拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖4所示是其APFC工作原理波形圖。

利用Boost電路實現(xiàn)高功率因數(shù)的原理是使輸入電流跟隨輸入電壓，并獲得期望的輸出電壓。因此，控制電路所需的參量包括即時輸入電壓、輸入電流及輸出電 壓。乘法器連接輸入電流控制部分和輸出電壓控制部分，輸出正弦信號。當輸出電壓偏離期望值，如輸出電壓跌落時，電壓控制環(huán)節(jié)的輸出電壓增加，使乘法器的輸 出也相應增加，從而使輸入電流有效值也相應增加，以提供足夠的能量。在此類控制模型中，輸入電流的有效值由輸出電壓控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)調(diào)制，而輸入電流控制環(huán)節(jié) 使輸入電流保持正弦規(guī)律變化，從而跟蹤輸入電壓。本文在基于此類控制模型下，采用ST公司的L6562作為控制芯片，給出了Boost-APFC電路的設計方法。

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。反饋補償網(wǎng)絡接在該引腳與引腳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，在電路設計時，穩(wěn)壓管D2應選用15 V穩(wěn)壓管，電容C2應選用10μF的電解電容;二極管D5應選用快恢復二極管(如1N4148);電阻R3應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，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，同時形成輸出電壓的負反饋回路;電容C9連接于芯片1、2腳之間，以 組成電壓環(huán)的補償網(wǎng)絡;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。

[page] Boost電感的設計

本設計采用AP法則來設計Boost電感。其原理是首先根據(jù)設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

為了驗證以上設計的合理性，本文設定最小輸入電壓為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來進行實物實驗，同時根據(jù)計算，并通過IL(pk)=465.3 mA來選取導線為mm，Jc=4/mm2，L=2.99 mH(L=2.7 mH時，驗證最小頻率為72 kHz>65 kHz，可滿足設計要求)。

設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)所搭建的試驗模型來進行的結(jié)果如圖6所示。

[page] 由圖6可見，輸入電流能良好的跟隨輸入電壓，且電流電壓相位差接近于零，故可實現(xiàn)高功率因數(shù)的控制。另外，MOSFET的電流是一種高頻三角波，其包絡為 輸入電壓。由于MOSFET可實現(xiàn)軟開關(guān)，能有效減小開關(guān)損耗。根據(jù)測試結(jié)果，該電路的PF可達0.998以上，THD在5%以下。

總結(jié)：

本設計引用AP法則設計其關(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確的設計方法。
小伙伴們，有沒有受益匪淺呢？

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