电源硬件设计----升压(Boost)变换器基础

1 升压变换工作原理

1.1 升压电路实例

TPS61089升压转换器，典型应用电路如图所示：

转换器特性：

• 输入电压范围：2.7V至12V
• 输出电压范围：4.5V至12.6V
• 效率高达90%(Vin=3.3V、Vout=9V且Iout=2A时)
• 可调节开关频率范围：200kHZ至2.2MHz

电路图来自TPS61089官方数据手册

TPS61089升压电路实例：

• 外围需要电感和电容来储能和放能
• 需要两个电阻来设定输出电压
• 一个输入电源
• 一个逻辑信号来时能或关断

1.2 升压的工作原理

升压(Boost)变换器拓扑如图所示：

升压的工作原理：

• 利用电感产生的感应电动势，输出电压是输入电压+电感上的感应电动势
• 前半周电感的电流增加，感应电动势正负如图所示，电感里储能增加

• 后半周电感的电流减少，感应电动势正负如图所示，电感里储能减少，电感对外放出能量

• 开关Q1是主开关，开关Q2是整流开关，Q2可以用单向导电的二极管代替。当Q2是一个MOSFET开关的时候，在前半周，Q2必须断开以防止电流从输出通过Q2和Q1倒流到地。当Q2是个二极管，二极管的单向导电特性自动防止了电流的倒流

1.3 升压变换稳态方程

• 电感和电容方程：
  

• 一个周期内电感上的平均电压为0(伏秒平衡)：
  

• 开关占空比D：
  

• 电感纹波电流：
  

• 一个周期内电容上的平均电流为0(安秒平衡)：
  

• 输出电容上的电压纹波：
  

1.4 稳态工作时的波形

升压(Boost)变换器拓扑如图所示：

• 输入电压：直流
• 开关节点的电压：方波
• 电感电流：随时间连续的增加或减少(CCM)
• 输出电压：直流电压上叠加了纹波
• 输出电容上的电流：1、前半周，以IOUT对负载放电；2、后半周，电感电流减去IOUT对电容充电

稳态工作时的电压和电流波形，如图所示：

2 功率器件选型

2.1 功率电感选型

选型时主要考虑的电感参数：

• 电感值
• 电感饱和电流，饱和电流大于最大峰值电流
• 电感温升电流，温升电流大于最大平均电流
• 直流电阻(DCR)，DCR低的电感，损耗小

数据手册中推荐的电感值范围：

数据手册中推荐的电感型号：

2.2 陶瓷电容选型

选型时主要考虑的电容参数：

• 电容值
• 额定电压
• 温度范围

数据手册中推荐的输出电容值范围：

2.3 外围器件建议

TPS61089数据手册外围器件建议及典型应用如图：

2.4 开关器件选型

选型时主要考虑的开关器件参数：

• 开关器件的耐压
• 开关器件电流能力
• 热特性，1、开关损耗和导通损耗；2、器件的热阻；3、环境温度和散热条件

3 PCB布板

3.1 PCB布板的影响

PCB布板不良对电路的影响：

• 电路无法正常工作
• 电路损坏
• 电磁辐射(EMI)过高

3.2 电路的关键路径

升压电路的关键路径和节点，如图所示：

• 功率电路中电流断续的路径
• 功率电路中电压剧烈变化的节点
• 控制电路中高输入阻抗的节点，1、逻辑电平输入节点；2、模拟电压输入节点
• 缩短电流断续路径，较少包围面积
• 防止SW节点干扰其他节点
• 防止高输入阻抗节点接近SW或其他干扰源

3.3 PCB布板步骤

TPS61089升压电路原理图如图所示：

TPS61089升压电路PCB布板步骤：

• 放置和连接输出电容

• 放置和连接电感和输入电容

• 放置和连接模拟输入电路

• 放置和连接数字输入电路

• 信号地连接和铺地
  
  TPS61089升压电路完整PCB板，如图所示：
  

3.4 PCB布板建议

TPS61089数据手册PCB布板建议，如图所示：

4 电气参数

4.1 输入和输出电压

芯片的输入电压：指芯片能够正常工作的输入电压范围

• 输入的最低电压：芯片的钱呀保护点决定
• 输入的最高电压：芯片内部的输入引脚最高耐压值决定

芯片的输入电压：一般通过反馈引脚的分压电阻网络来设定

• 输出电压的最低值：芯片的工作特性相关，可能是最小占空比或芯片的最小工作电压
• 输出电压的最高值：芯片输出引脚端耐压值决定

TPS61089数据手册中部分电气参数，如图所示：

4.2 峰值和谷值电流

• 峰值电流：电感电流的最高值，一般检测下管电流实现
  

• 谷值电流：电感电流的最低值，一般检测上管电流实现
  

4.3 效率

• 效率的定义：效率=输出功率/输入功率
• 主要损耗：1、开关器件开关损耗；2、开关器件导通损耗；3、电感损耗

4.4 导通电阻

• 导通电阻： 功率管的开通状态下两端的电阻，流过电流时会产生损耗

TPS61089数据手册中导通电阻参数，如图所示：

4.5 静态电流

• 静态电流： 芯片开关不工作的时候，芯片内部电路消耗的电流。芯片使能后的待机功耗由静态电流决定，包括从输入侧和输出侧两部分消耗的电流

TPS61089数据手册中静态电流参数，如图所示：

• 实际应用中测量芯片的静态电流： 1、首先把FB引脚接到比反馈电压高的外置电源，使芯片内部的来管切换关闭；2、分别在输入侧和输出侧接电源和电流表，测量两侧消耗的静态电流

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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