李學(xué)敏，廖無限，任于涵

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

低功耗Boost型DC/DC變換器

李學(xué)敏，廖無限，任于涵

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

分析Boost和同步整流開關(guān)電源電路的工作原理，設(shè)計(jì)Boost電路的主要參數(shù)及控制回路，最后測(cè)試了基于LM5121的低功耗Boost型DC/DC變換器樣機(jī)，其輸出電壓為48 V，輸出功率為100 W。測(cè)試結(jié)果表明：樣機(jī)輸出電壓穩(wěn)定，整機(jī)效率高達(dá)88%，它是一種經(jīng)濟(jì)適用的低功耗小型開關(guān)電源。

低功耗；Boost；開關(guān)電源；同步整流；LM5121

0 引言

開關(guān)電源具有體積小、輕量化和高效率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-3]。DC/DC變換器是將一種直流電能轉(zhuǎn)換成另一種或多種直流電能的開關(guān)電源[4]。整流器件的開關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗是開關(guān)電源功率損耗的重要因素[5]。傳統(tǒng)的整流器件一般采用肖特基二極管（Schottky barrier diode，SBD）。由于受材料物理特性和制造技術(shù)水平的限制，肖特基二極管的正向?qū)▔航当容^高（甚至達(dá)到1 V）和導(dǎo)通阻抗高，這導(dǎo)致了開關(guān)電源的功率損耗大，效率不高。因此，傳統(tǒng)整流器件已經(jīng)不能滿足更低電壓、更大電流、高效率的要求。為了提高開關(guān)電源效率、降低損耗，同步整流技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[6-9]。同步整流是將場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）取代整流二極管，以降低整流損耗的一項(xiàng)新技術(shù)。MOSFET的正向?qū)▔航悼梢赃_(dá)到0.006 V左右，導(dǎo)通電阻也可以降到毫歐級(jí)（m）以下。

因此，本文采用同步整流技術(shù)設(shè)計(jì)了一種低功耗Boost型DC/DC變換器。該變換器降低了功率損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。

1 Boost型變換器

Boost型變換器的電路圖如圖1所示。Boost電路拓?fù)浒斎胫绷麟娫碪i、輸入濾波電感L、開關(guān)管Q、二極管D、輸出濾波電容C和負(fù)載R[10]。當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，二極管D反偏，處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)輸入電源Ui給濾波電感L儲(chǔ)能（或勵(lì)磁），負(fù)載能量由輸出濾波電容C提供；當(dāng)開關(guān)管Q截止時(shí)，二極管D正偏，處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)電感電流經(jīng)二極管續(xù)流，輸入電源Ui和濾波電感L共同向負(fù)載提供能量的同時(shí)，補(bǔ)充輸出濾波電容在前一間隔所損失的能量。輸出濾波電容的作用有2個(gè)方面：1）開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，給負(fù)載提供能量；2）濾除輸出電壓的紋波分量，使輸出電壓平穩(wěn)。二極管D起到換流跟續(xù)流的作用。

圖1 Boost型變換器電路Fig. 1 Diagram of Boost converter circuit

2 Boost型同步整流變換器

2.1 主電路工作原理

本文所設(shè)計(jì)的Boost型同步整流變換器如圖2所示。該變換器包括輸入直流電源Ui、輸入濾波電感L、開關(guān)管Q1和Q2、輸出濾波電容C和負(fù)載R。濾波電感L工作在CCM模式。

圖2 Boost型同步整流變換器Fig. 2 Diagram of the Boost synchronous rectifier converter

電感L的臨界值由式（1）決定[12]，

式中：Uo為輸出電壓；Ui為輸入電壓；Io為輸出電流；T為周期；D為電路PWM信號(hào)的占空比，即

由式（2）也可以推導(dǎo)出輸出電壓的公式，即

由式（3）可知，輸出電壓由PWM占空比決定。在Boost電路中，占空比D小于1，可知，輸出電壓高于輸入電壓，Boost電路也稱升壓電路[13]。

2.2 主電路工作過程分析

主電路的穩(wěn)態(tài)原理波形圖如圖3所示[11]。

圖3 CCM模式下主電路穩(wěn)態(tài)時(shí)原理波形圖Fig. 3 Oscillogram of the principles governing the steady main circuit under CCM mode

圖3 中，g1, g2是開關(guān)管Q1和Q2的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IL是電感L的電流信號(hào)，IQ1，IQ2是開關(guān)管Q1和Q2的電流信號(hào)，Uo是負(fù)載的輸出電壓，Ton是主開關(guān)管Q1在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，Toff是主開關(guān)管Q1在一個(gè)周期內(nèi)的截止時(shí)間，T是Ton與Toff之和，即t0～t2。

t0之前，假設(shè)電感L沒有儲(chǔ)能，開關(guān)管Q1, Q2為不導(dǎo)通狀態(tài)。

t0～t1為一個(gè)周期T內(nèi)的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，開關(guān)管Q2截止。輸入電源Ui給濾波電感L儲(chǔ)能（或勵(lì)磁）。電感中的電流IL和開關(guān)管Q1的電流IQ1都呈線性增長(zhǎng)。負(fù)載能量由輸出濾波電容C提供，只要電容足夠大，輸出電壓Uo的變化會(huì)很小，近似恒定值。

t1～ t2為一個(gè)周期T內(nèi)的開關(guān)截止時(shí)間Toff，開關(guān)管Q1截止，開關(guān)管Q2導(dǎo)通。電感電流經(jīng)開關(guān)管Q2續(xù)流。輸入電源Ui和濾波電感L共同向負(fù)載提供能量，同時(shí)補(bǔ)充輸出濾波電容C在前一間隔所損失的能量。電感中的電流IL和開關(guān)管Q1的電流IQ1都呈線性減小。

3 驅(qū)動(dòng)電路

3.1 控制芯片LM5121的簡(jiǎn)介

考慮低功耗Boost型DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)和性能，本文選用了一款同步升壓專業(yè)芯片LM5121作為電路的核心控制器。LM5121是TI公司設(shè)計(jì)的一款針對(duì)高效率、高功率升壓穩(wěn)壓器應(yīng)用的同步升壓控制器，其開關(guān)頻率最高可編程至1 MHz。通過將2個(gè)耐用的N通道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器與自適應(yīng)死區(qū)控制搭配使用實(shí)現(xiàn)同步控制。用戶還可選二極管仿真模式實(shí)現(xiàn)斷續(xù)模式運(yùn)行，從而提高輕負(fù)載條件下的效率[14]。

LM5121最小輸入電壓為3.0 V（啟動(dòng)時(shí)為4.5 V），最大輸入電壓為65 V，輸出電壓高達(dá)100 V。其主要應(yīng)用于12, 24, 48 V電壓等級(jí)的電源系統(tǒng)，例如汽車車用電源、高電流升壓電源、電池供電系統(tǒng)等。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。引腳1～20的定義詳見文獻(xiàn)[14]，EP為芯片封裝的裸露焊盤，沒有內(nèi)部電氣連接，應(yīng)焊接到大地以減小熱阻。

圖4 LM5121的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Diagram of the internal structure of LM5121

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LM5121作為DC/DC變換器整個(gè)電路的核心，通過控制PWM信號(hào)的輸出來調(diào)整電路輸出電壓，引腳16 LO和引腳19 HO輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。DC/DC變換器的主電路和芯片的外圍電路設(shè)計(jì)見圖5，該電路包含輸入濾波電路、欠壓保護(hù)電路、控制電路、反饋電路、輸出濾波電路。具體設(shè)計(jì)方法詳見文獻(xiàn)[14]。

圖5 電路原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the circuit

DC/DC變換器基本參數(shù)為：開關(guān)頻率fs=50 kHz，主電路輸入電壓（INPUT）Ui=12 V，額定輸出電壓（OUTPUT）Uo=48 V，輸出最大電流Io=6 A。主要器件的參數(shù)見表1，表中參數(shù)名稱詳見圖5。

表1 主要器件參數(shù)設(shè)計(jì)表Table 1 The designed parameter table

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述Boost型同步整流變換器的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)，研制了一款12 V/48 V實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)實(shí)物如圖6所示。

圖6 Boost型同步變換器樣機(jī)Fig. 6 A physical map of Boost synchronous rectifier converter

開關(guān)管工作頻率為50 kHz，電路占空比為0.7。開關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)波形如圖7所示。從圖可知，驅(qū)動(dòng)電壓為8 V，波形基本正常，開關(guān)管Q1正常工作。

圖7 開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)波形Fig. 7 Driving waveform of switch Q1

DC/DC變換器中開關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)波形如圖8所示。從圖中可知，驅(qū)動(dòng)電壓為8 V。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管Q2關(guān)斷；當(dāng)開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管Q2導(dǎo)通，2個(gè)開關(guān)管相互交錯(cuò)導(dǎo)通。開關(guān)管Q2實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)整流二極管的續(xù)流作用，這也說明本設(shè)計(jì)符合同步整流技術(shù)要求。

圖8 開關(guān)管Q2驅(qū)動(dòng)波形Fig. 8 Driving waveform of switch Q2

DC/DC變換器樣機(jī)的輸出電壓波形如圖9所示。從圖可知，樣機(jī)的輸出電壓為48 V，輸出電壓波形基本是一條平滑的直線，這表明電路設(shè)計(jì)基本符合預(yù)期效果。

圖9 樣機(jī)輸出電壓波形Fig. 9 Waveform of the prototype output voltage

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)輸入電壓Ui=12 V時(shí)，樣機(jī)處于滿載狀態(tài)，輸入電流Ii=8.33 A，可得：輸入功率Pi=UiIi= 99.96 W，輸出功率Po=UoIo=87.66 W，整機(jī)效率 =Po/Pi≈0.88，因此，該值滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于同步整流PWM控制芯片LM5121的低功耗Boost型DC/DC變換器。文中詳細(xì)分析了其電路原理，并且給出較為詳盡的設(shè)計(jì)步驟。測(cè)試結(jié)果表明：樣機(jī)輸出直流電壓穩(wěn)定，電壓紋波較小，滿載效率高，滿足設(shè)計(jì)要求。由此可見，采用功率MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)整流二極管的同步整流技術(shù)，可減少開關(guān)電源的功率損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，具有良好的推廣價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

Boost DC/DC Converters with Low Power Consumption

LI Xuemin，LIAO Wuxian，REN Yuhan
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

An analysis has been made of the operating principle of Boost and synchronous rectifier switch power supply circuit, and a design has been proposed for the main parameters and control circuit of Boost circuit, followed by the test of a low-power-consumption DC/DC Boost converter prototype based on LM5121, with 48 V its output voltage and 100 W its output power. Testing results substantiate the stable output voltage of the prototype, with an overall efficiency as high as 88%, thus proving it to be an economical and applicable switching power supply with low power consumption.

low power consumption；Boost；switch power supply；synchronous rectification；LM5121

TM46

A

1673-9833(2016)05-0027-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.006

2016-07-09

湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（15C0393）

李學(xué)敏（1989-），男，湖南郴州人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail：894697139@qq.com