石易立

　　（南通航運職業(yè)技術學院 機電系，江蘇 南通 226010）

       摘要：boost升壓電路在電子電路設計中有著廣泛的應用。文章提出一種新型同步boost電路，其結構簡單，性能突出。用Cadence軟件進行模擬仿真，系統(tǒng)頻率為100 kHz，3.3 V輸入，5 V/2.5 A輸出，效率達到95%。

　　關鍵詞：boost電路；同步整流；高效

0引言

　　boost電路在電子電路設計中有著廣泛的應用，特別是各種電源電路和太陽能控制電路中，例如MPPT太陽能控制器最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）、移動電源領域等。高效率、高頻率和小型化一直是其追求的目標。由于boost電路中包含電容電感等非線性器件，這些對高性能的boost電路設計帶來了諸多不確定性和難度，也使高效boost電路設計成為研究的熱點之一。本文提出了一種同步boost電路，采用一些新型結構使得電路的基本指標達到要求，性能得到一定改善。

1boost電路原理

　　boost電路基本原理如圖1所示。

　　圖1中,當MOS管Q導通時,電源給電感L充電;當MOS管Q截止時，電感L電流通過電容C和二極管D給電容充電。如此往復，電容電壓達到一穩(wěn)定值。MOS管Q的導通截止由方波信號PWM控制。設PWM信號的占空比為D，則輸出電壓Vout=Vin·11－D，因為D＜1，所以該電路能實現(xiàn)升壓的功能。PWM信號由專用電路產(chǎn)生，它的頻率決定了電感L的大小。一般希望電感越小越好，所以在實際電路設計中希望得到較高的PWM信號頻率。同時為得到較高的電壓精度，電容C也希望設置得越小越好。通常流經(jīng)二極管D的電流就是電感電流，在大功率場合，這個電流會比較大，從而二極管上的功耗會很大，使得整個boost電路的效率大大降低。為改變這一狀態(tài)，顧亦磊等人提出了同步boost電路的概念［1］，將二極管用另一個MOS管取代，整體功耗得到了很大的改善。

2同步電路boost電路原理

　　同步boost電路基本原理如圖2所示。　　

　　與圖1相比，圖2中用MOS管Q2取代了二極管D。當Q1導通時Q2截止，Q1截止時Q2導通，Q2取代了二極管的功能。由于Q1、Q2導通時都可以讓其處于飽和導通［2］，這樣Q2管上的功耗將大大降低，提高了整體效率。這樣一種同步導通截止的電路就稱為同步boost電路。其詳細驅動電路如圖3所示。圖3中AC為PWM信號源產(chǎn)生高電平為5 V、低電平為0 V的方波信號。Vcc為電源電壓5 V。Q4、R3、R4組成簡單反向器［3］。當AC為高電平時，Q4飽和導通，集電極輸出低電平，Q3導通。當AC為低電平時，Q4截止，集電極輸出高電平，Q3截止。從而使當AC為高電平時，Q5截止，Q2截止，Q3導通，Q1導通，電感充電；當AC為低電平時，Q5導通，Q2導通，Q3截止，Q1截止，電感放電，電容充電。實現(xiàn)了boost電路的基本功能。　

　　事實上，這樣的同步boost電路的同步性卻不盡如人意。在Q1導通時，Q2并不能很好地同時截止，反過來，Q2導通時，Q1也不能真正地同時截止［1］。它們之間的這種時間差會在Q1、Q2、C回路中產(chǎn)生較大的電流和功耗。產(chǎn)生的原因主要是因為一管導通時另外一管不能很快地截止。在Q1、Q2 MOS管的G極與S極之間存在一定的結電容，當VGS=5 V時，GS結電容充滿電，而當VGS=0 V時，GS結電容通過電阻R1、R6放電，CGS與R1(或R6)組成一個RC放電回路［4］。放電的快慢直接決定了MOS管的關斷速度。放電越快MOS管的關斷速度越快，放電越慢MOS管的關斷速度越慢，所以只有當時間常數(shù)τ=RC比較小、放電快時才能帶來很好的一致性。當結電容處于一個較為一致的水平時，降低電阻R就成了一個有效的手段。雖然當電阻R1、R6降到一定程度時，一致性可得到有效的改善，但同時也會帶來新的問題，過小的R1、R6會使R1、R6上面的功耗變得非常大，同樣影響整體效率。一個進一步改進的辦法是用新的MOS管取代電阻R1、R6。

3改進型同步boost電路

　　改進型同步boost電路如圖4所示。　

　　圖4中用兩個MOS管（Q8、Q9）及其驅動電路（Q6、Q7）取代圖3中的R1、R6。通過電路分析可以得到，當AC為高電平時，Q6截止，Q8截止，呈現(xiàn)高阻態(tài)，Q1導通；同時Q7導通，Q9導通，呈現(xiàn)低阻態(tài)，Q2的CGS迅速放電，Q2迅速關斷，與Q1的導通實現(xiàn)了良好的一致性。同時，AC高電平時，Q5又處于截止狀態(tài)，Q9中沒有電流流過，Q9的低阻態(tài)不會引起功耗的上升，很好地解決了圖3中R1、R6低阻值時帶來的溫升。反之，AC低電平時，Q7截止，Q9截止，Q2導通；另一端的Q6導通，Q8低阻態(tài)，Q1迅速關斷。如此往復，Q1、Q2交替導通、截止，實現(xiàn)了boost電路升壓的基本功能又降低了功耗，提高了整體性能。

4模擬仿真

　　結合上述原理，最后用Cadence軟件模擬了圖4中boost電路的工作過程。電路中Q1、Q2采用IRF3205，Q8、Q9采用IRF320。電感選擇0.5 mH，電容選擇0.5 mF，PWM頻率100 kHz，上升沿下降沿時間各為200 ns。輸入電壓設為3.3 V，其余電路參數(shù)已在圖4中標出。

　　當占空比D=0.36時，輸出電壓、輸入功率、負載功率如圖5~圖7所示。

　　電源電壓Vcc發(fā)出功率如圖8所示。約為0.2 W。

　　可算出占空比D=0.36時，效率為：

5結束語

　　綜上所述，本文提出的同步boost電路有著結構新穎，性能優(yōu)良的特點。在各種電子電路設計中具有良好的應用前景。

參考文獻

　　［1］ 顧亦磊, 陳世杰, 呂征宇.Boost電路的一種軟開關實現(xiàn)方法［J］.電源技術應用, 2004(5):290293.

　　［2］ 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設計［M］.陳貴燦，程軍，張瑞智，等譯. 西安：西安交通大學出版社， 2003.

　　［3］ 康華光.電子技術基礎 模擬部分（第5版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

　　［4］ 曹京生.電工技術 ［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.

　　（收稿日期：20160314）