一种高效同步boost电路-AET-电子技术应用

一种高效同步boost电路

2016年微型机与应用第13期

石易立

（南通航运职业技术学院机电系，江苏南通 226010）

摘要：boost升压电路在电子电路设计中有着广泛的应用。文章提出一种新型同步boost电路，其结构简单，性能突出。用Cadence软件进行模拟仿真，系统频率为100 kHz，3.3 V输入，5 V/2.5 A输出，效率达到95%。

关键词： Boost电路同步整流高效

Abstract：

Key words :

　　石易立

　　（南通航运职业技术学院机电系，江苏南通 226010）

摘要：boost升压电路在电子电路设计中有着广泛的应用。文章提出一种新型同步boost电路，其结构简单，性能突出。用Cadence软件进行模拟仿真，系统频率为100 kHz，3.3 V输入，5 V/2.5 A输出，效率达到95%。

关键词：boost电路；同步整流；高效

0引言

　　boost电路在电子电路设计中有着广泛的应用，特别是各种电源电路和太阳能控制电路中，例如MPPT太阳能控制器最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）、移动电源领域等。高效率、高频率和小型化一直是其追求的目标。由于boost电路中包含电容电感等非线性器件，这些对高性能的boost电路设计带来了诸多不确定性和难度，也使高效boost电路设计成为研究的热点之一。本文提出了一种同步boost电路，采用一些新型结构使得电路的基本指标达到要求，性能得到一定改善。

1boost电路原理

　　boost电路基本原理如图1所示。

　　图1中,当MOS管Q导通时,电源给电感L充电;当MOS管Q截止时，电感L电流通过电容C和二极管D给电容充电。如此往复，电容电压达到一稳定值。MOS管Q的导通截止由方波信号PWM控制。设PWM信号的占空比为D，则输出电压Vout=Vin·11－D，因为D＜1，所以该电路能实现升压的功能。PWM信号由专用电路产生，它的频率决定了电感L的大小。一般希望电感越小越好，所以在实际电路设计中希望得到较高的PWM信号频率。同时为得到较高的电压精度，电容C也希望设置得越小越好。通常流经二极管D的电流就是电感电流，在大功率场合，这个电流会比较大，从而二极管上的功耗会很大，使得整个boost电路的效率大大降低。为改变这一状态，顾亦磊等人提出了同步boost电路的概念［1］，将二极管用另一个MOS管取代，整体功耗得到了很大的改善。

2同步电路boost电路原理

　　同步boost电路基本原理如图2所示。　　

　　与图1相比，图2中用MOS管Q2取代了二极管D。当Q1导通时Q2截止，Q1截止时Q2导通，Q2取代了二极管的功能。由于Q1、Q2导通时都可以让其处于饱和导通［2］，这样Q2管上的功耗将大大降低，提高了整体效率。这样一种同步导通截止的电路就称为同步boost电路。其详细驱动电路如图3所示。图3中AC为PWM信号源产生高电平为5 V、低电平为0 V的方波信号。Vcc为电源电压5 V。Q4、R3、R4组成简单反向器［3］。当AC为高电平时，Q4饱和导通，集电极输出低电平，Q3导通。当AC为低电平时，Q4截止，集电极输出高电平，Q3截止。从而使当AC为高电平时，Q5截止，Q2截止，Q3导通，Q1导通，电感充电；当AC为低电平时，Q5导通，Q2导通，Q3截止，Q1截止，电感放电，电容充电。实现了boost电路的基本功能。　

　　事实上，这样的同步boost电路的同步性却不尽如人意。在Q1导通时，Q2并不能很好地同时截止，反过来，Q2导通时，Q1也不能真正地同时截止［1］。它们之间的这种时间差会在Q1、Q2、C回路中产生较大的电流和功耗。产生的原因主要是因为一管导通时另外一管不能很快地截止。在Q1、Q2 MOS管的G极与S极之间存在一定的结电容，当VGS=5 V时，GS结电容充满电，而当VGS=0 V时，GS结电容通过电阻R1、R6放电，CGS与R1(或R6)组成一个RC放电回路［4］。放电的快慢直接决定了MOS管的关断速度。放电越快MOS管的关断速度越快，放电越慢MOS管的关断速度越慢，所以只有当时间常数τ=RC比较小、放电快时才能带来很好的一致性。当结电容处于一个较为一致的水平时，降低电阻R就成了一个有效的手段。虽然当电阻R1、R6降到一定程度时，一致性可得到有效的改善，但同时也会带来新的问题，过小的R1、R6会使R1、R6上面的功耗变得非常大，同样影响整体效率。一个进一步改进的办法是用新的MOS管取代电阻R1、R6。

3改进型同步boost电路

　　改进型同步boost电路如图4所示。　

　　图4中用两个MOS管（Q8、Q9）及其驱动电路（Q6、Q7）取代图3中的R1、R6。通过电路分析可以得到，当AC为高电平时，Q6截止，Q8截止，呈现高阻态，Q1导通；同时Q7导通，Q9导通，呈现低阻态，Q2的CGS迅速放电，Q2迅速关断，与Q1的导通实现了良好的一致性。同时，AC高电平时，Q5又处于截止状态，Q9中没有电流流过，Q9的低阻态不会引起功耗的上升，很好地解决了图3中R1、R6低阻值时带来的温升。反之，AC低电平时，Q7截止，Q9截止，Q2导通；另一端的Q6导通，Q8低阻态，Q1迅速关断。如此往复，Q1、Q2交替导通、截止，实现了boost电路升压的基本功能又降低了功耗，提高了整体性能。

4模拟仿真

　　结合上述原理，最后用Cadence软件模拟了图4中boost电路的工作过程。电路中Q1、Q2采用IRF3205，Q8、Q9采用IRF320。电感选择0.5 mH，电容选择0.5 mF，PWM频率100 kHz，上升沿下降沿时间各为200 ns。输入电压设为3.3 V，其余电路参数已在图4中标出。