Boost電路的基本原理

基于ST公司的L6562，我們?cè)敿?xì)分析了磁性元件的設(shè)計(jì)方法。并設(shè)計(jì)如圖的Boost電路拓?fù)?，如圖1所示。圖中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，電流，IL流過(guò)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(chǔ)存在電感線圈 中，此時(shí)，電容Cout放電為負(fù)載提供能量;而當(dāng)開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，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(kāi)關(guān) MOSFET的控制信號(hào)，VI為MOFET兩端的電壓，ID為流過(guò)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(shè)計(jì)

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。

利用Boost電路實(shí)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(shí)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(hào)。當(dāng)輸出電壓偏離期望值，如輸出電壓跌落時(shí)，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(yīng)增加，從而使輸入電流有效值也相應(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)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(guò)壓保護(hù)輸入端；

COMP：該引腳同時(shí)為電壓誤差放大器的輸出端和芯片內(nèi)部乘法器的一個(gè)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(guò)電阻R6來(lái)檢測(cè)MOS管電流；

ZCD：該腳為電感電流過(guò)零檢測(cè)端，可通過(guò)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(guò)3 mA；

GND：該引腳為芯片地，芯片所有信號(hào)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(dòng)信號(hào)輸出引腳。為避免MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)際電路決定；

VCC：芯片電源引腳。該引腳同時(shí)連接于啟動(dòng)電路和電源電路。

另外，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)際電路圖。圖中，輸入交流電經(jīng)整流橋整流后變換為脈動(dòng)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(hào)，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(hào)引腳的高頻干擾信 號(hào);Boost電感L的一個(gè)副邊繞組，一方面通過(guò)電阻R7將電感電流過(guò)零信號(hào)傳遞到芯片的5腳，另一方面作為芯片正常工作時(shí)的電源;芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)電阻 R8和R9連到MOS管的門(mén)極;電阻R11作為電感電流檢測(cè)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(shí)接在 MOS管的源極，同時(shí)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(shí)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。

[page] Boost電感的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用AP法則來(lái)設(shè)計(jì)Boost電感。其原理是首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)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(jì)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(jì)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(lái)計(jì)算原邊匝數(shù)及所需氣隙。副邊匝數(shù)一般按10：1選取。


實(shí)驗(yàn)波形分析

為了驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)計(jì)算，并通過(guò)IL(pk)=465.3 mA來(lái)選取導(dǎo)線為mm，Jc=4/mm2，L=2.99 mH(L=2.7 mH時(shí)，驗(yàn)證最小頻率為72 kHz>65 kHz，可滿足設(shè)計(jì)要求)。

設(shè)Ku=0.3，δBmax=0.3T，由(4)式計(jì)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(jì)要求；而由(5)式計(jì)算得Np=218.1匝，取215匝，并驗(yàn)證δBmax=0.304T，氣隙lgap=0.41 mm
根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)所搭建的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)進(jìn)行的結(jié)果如圖6所示。

[page] 由圖6可見(jiàn)，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(shí)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(luò)為 輸入電壓。由于MOSFET可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，能有效減小開(kāi)關(guān)損耗。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該電路的PF可達(dá)0.998以上，THD在5%以下。

總結(jié)：

本設(shè)計(jì)引用AP法則設(shè)計(jì)其關(guān)鍵元器件—Boost電感。既讓啟動(dòng)電流小，外圍器件少。并且成本低廉。又同時(shí)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(shí)是一種快速準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法。
小伙伴們，有沒(méi)有受益匪淺呢？

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