Перейти к содержанию

Повышающий преобразователь (boost)

Повышающий импульсный преобразователь, или boost, получает из одного литиевого элемента 5 В для USB, а из 5 В — 12 В. Дроссель накапливает энергию, пока ключ замкнут, и отдаёт её в нагрузку поверх входного напряжения, когда ключ размыкается.

Обновлено Редакция GAW

Повышающий преобразователь (boost converter, step-up) — импульсный преобразователь, у которого выходное напряжение выше входного. Дроссель стоит последовательно со входом, ключ замыкает его на общий провод, а диод ведёт к выходному конденсатору. Пока ключ замкнут, ток дросселя растёт и он накапливает энергию; когда ключ размыкается, дроссель добавляет своё напряжение к входному и отдаёт энергию через диод на выход. В режиме непрерывного тока (Microchip AN1114, ур. 5):

Uвых=Uвх1−D.U_\text{вых} = \frac{U_\text{вх}}{1 - D}.

Расчёт по TI SLVA372

Расчёт ведут при наименьшем входном напряжении, КПД оценивают в 80 %:

D=1−Uвх.min⋅ηUвых,ΔIL=Uвх.min⋅DfS⋅L,ISW.max=ΔIL2+Iвых.max1−D.D = 1 - \frac{U_\text{вх.min} \cdot \eta}{U_\text{вых}}, \qquad \Delta I_L = \frac{U_\text{вх.min} \cdot D}{f_S \cdot L}, \qquad I_\text{SW.max} = \frac{\Delta I_L}{2} + \frac{I_\text{вых.max}}{1 - D}.

Ток ключа здесь в 1/(1 − D) раз больше тока нагрузки: нагрузку питает только часть периода, пока ключ разомкнут, а остальное время её держит выходной конденсатор. Пример (наш расчёт): 3,0 → 5 В, 0,5 А, η = 0,8: D = 0,52, средний ток ключа в открытом состоянии 0,5/0,48 ≈ 1,04 А плюс половина пульсаций. MC34063 считают по собственной методике для прерывистого режима: при падении на диоде 0,5 В и насыщении ключа 1 В tвкл/tвыкл = (5,5 − 3)/(3 − 1) = 1,25 и пиковый ток 2·0,5·(1,25 + 1) ≈ 2,25 А (наш расчёт по формулам калькулятора MC34063) — больше его 1,5 А, так что для этого примера нужна микросхема с более мощным ключом.

Особенности

  • Нет защиты от КЗ выхода — вывод из схемы: через дроссель и диод вход соединён с выходом при любом состоянии ключа.
  • Реальный коэффициент ограничен: Microchip показывает, что при D → 1 отношение Uвых/Uвх не растёт, а падает из-за потерь.
  • Выходной конденсатор нагружен импульсным током диода — его действующий ток пульсаций AN1114 считает отдельно, см. ток пульсаций.

Не путать с понижающим преобразователем и с накачкой заряда: накачка повышает напряжение конденсаторами без дросселя и даёт малые токи. Подробный расчёт и выбор деталей — в статье «Повышающий преобразователь (boost)», схему на MC34063 посчитает калькулятор MC34063.

Частые вопросы

Почему boost не защищает от короткого замыкания на выходе?

Это следует из самой схемы (Microchip AN1114, рис. 4): вход соединён с выходом через дроссель и диод независимо от состояния ключа. При замыкании выхода ток идёт от источника по этому пути, и ограничение тока ключа его не касается. Для защиты ставят предохранитель, eFuse или выбирают преобразователь с отключением выхода.

Можно ли повысить напряжение в 10 раз?

Формула Uвых = Uвх/(1 − D) обещает это при D = 0,9, но Microchip в AN1114 показывает, что с ростом D реальное повышение падает из-за потерь в ключе, дросселе и диоде. Для больших коэффициентов используют трансформаторные схемы, например обратноходовую.

При каком входном напряжении считать boost?

При наименьшем: TI в SLVA372 отмечает, что именно оно даёт наибольший ток ключа. Для литиевого элемента это напряжение в конце разряда, например 3,0 В, а не номинальные 3,7 В.

Источники

  1. Texas Instruments. Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage (SLVA372D, November 2009, revised November 2022) — ур. 1: D = 1 − Vin(min)·η/Vout, η около 80 %; ур. 2: ΔIL = Vin(min)·D/(fS·L); ур. 3: Imaxout = (ILIM(min) − ΔIL/2)·(1 − D); ур. 4: ISW(max) = ΔIL/2 + Iout(max)/(1 − D); расчёт при наименьшем входном напряжении
  2. Microchip. AN1114: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part I) (DS01114A) — ур. 5: Vout/Vin = 1/(1 − D); при D, стремящемся к 1, реальное отношение падает из-за потерь (рис. 5); ур. 6: действующий ток пульсаций выходного конденсатора; пока ключ открыт, нагрузку питает выходной конденсатор
  3. Texas Instruments. MC3x063A 1.5-A Peak Boost/Buck/Inverting Switching Regulators (SLLS636N, revised January 2015) — вход 3–40 В, ключ 1,5 А, частота до 100 кГц, опорное 1,25 В, ограничение пикового тока по падению 250–350 мВ на датчике тока

Нашли ошибку?

Смотрите также