Перейти к содержанию

Повышающий преобразователь (boost)

Повышающий преобразователь получает из 3,3 или 5 В напряжение 12 В и выше: ключ замыкает дроссель на общий провод, а когда размыкается, энергия дросселя через диод идёт на выход. Выход в непрерывном режиме — Uвх/(1 − D), а входной ток больше выходного во столько же раз.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Повышающий преобразователь (boost, step-up) делает из низкого напряжения высокое: питает 12-вольтовую светодиодную ленту от 5 В, 5-вольтовую схему от одного литиевого аккумулятора. Пока ключ замкнут, дроссель запасает энергию от входа, а нагрузку питает выходной конденсатор; когда ключ размыкается, ток дросселя через диод заряжает конденсатор до напряжения выше входного. Общий принцип импульсных схем — в статье «Импульсные преобразователи».

Коротко

Схема

Повышающий преобразователь (boost)Вход через дроссель L подключён к узлу, от которого ключ Q1 идёт на общий провод, а диод D1 — анодом к узлу, катодом к выходу. Пока ключ замкнут, дроссель накапливает энергию от входа; когда ключ размыкается, ток дросселя через диод заряжает выходной конденсатор CO.UвхLQ1D1CORнUвыхUвых = Uвх / (1 − D)

Расчёт по шагам

Формулы — Microchip AN1114 и AN1207 для непрерывного режима, падения на ключе и диоде опущены.

1. Заполнение. Из Uвых = Uвх/(1 − D) (AN1114, уравнение 5; AN1207, уравнение 50):

D=1−UвхUвыхD = 1 - \frac{U_\text{вх}}{U_\text{вых}}

Наибольшее заполнение — при минимальном входном напряжении.

2. Токи. Без потерь мощность на входе и выходе одинакова, и Iвых/Iвх = 1 − D (AN1207, уравнение 51). Средний ток дросселя равен входному току:

Iвх=Iвых1−DI_\text{вх} = \frac{I_\text{вых}}{1 - D}

3. Пульсации тока дросселя. Пока ключ замкнут, к дросселю приложено входное напряжение, и ток растёт со скоростью Uвх/L (AN1207, уравнение 47):

ΔIL=Uвх⋅Df⋅L\Delta I_L = \frac{U_\text{вх} \cdot D}{f \cdot L}

Размах выбирают долей входного тока; пиковый ток ключа, диода и дросселя — Iвх + ΔIL/2.

4. Выходной конденсатор. Пока ключ замкнут, нагрузку питает только конденсатор. Разряд током нагрузки за время tвкл не должен опускать выход больше допустимых пульсаций (AN1207, уравнения 58–60):

C>Iвых⋅tвклUпульс,tвкл=DfC > \frac{I_\text{вых} \cdot t_\text{вкл}}{U_\text{пульс}}, \qquad t_\text{вкл} = \frac{D}{f}

Через конденсатор идёт большой переменный ток — импульсы тока диода минус постоянный ток нагрузки (AN1114, уравнение 6), поэтому конденсатор выбирают и по допустимому току пульсаций.

5. Ключ и диод. Закрытый ключ держит выходное напряжение плюс падение на диоде (AN1207, уравнение 64), диод в обратном направлении — выходное напряжение (уравнение 61). Средний ток диода равен току нагрузки.

Пример: 5 → 12 В, 0,5 А, 200 кГц

  1. D = 1 − 5/12 = 0,583.
  2. Входной ток — 0,5/(1 − 0,583) = 1,2 А: в 2,4 раза больше выходного.
  3. Выберем размах пульсаций 30 % входного тока — 0,36 А: L = UвхD/(f ΔIL) = 5 · 0,583/(200 000 · 0,36) = 40,5 мкГн. Пиковый ток — 1,2 + 0,18 = 1,38 А.
  4. tвкл = 0,583/200 000 = 2,92 мкс; для пульсаций 50 мВ C > 0,5 · 2,92 мкс/0,05 = 29 мкФ — плюс запас на ESR.
  5. Ключ — не меньше 12,5 В с запасом и 1,38 А в пике, диод — на 12 В и средний ток 0,5 А (пиковый — 1,38 А).

Для сравнения — у MC34063 встроенный ключ рассчитан на 1,5 А и 40 В (ST DocID5257, табл. 3): для этого примера впритык по току. Номиналы для MC34063 считает калькулятор MC34063, общий расчёт с КПД — калькулятор ниже (выберите «повышающий»):

Исходные данные

Преобразователь
В

худший случай для расчёта

В
А

из даташита микросхемы

%

оценка: 85–95 %

%

от среднего тока, обычно 20–40 %

мВ

размах

мкГн

необязательно

мОм

необязательно: керамика — единицы мОм, электролит — десятки и сотни

Результат

Индуктивность дросселя
10 мкГн
минимум 9,72 мкГн, взят ближайший номинал E6 сверху
Ток насыщения дросселя — не меньше
2,32 Асредний ток 2 А плюс половина пульсаций
Пульсации тока дросселя
648 мАразмах
Коэффициент заполнения
46,3 %
Выходной конденсатор — не меньше
3 мкФпо ёмкости, без учёта ESR

Проверьте, что ток ограничения ключа микросхемы с запасом больше пикового тока, и сверьтесь с рекомендациями её даташита: значения дросселя и конденсаторов там часто заданы под конкретную компенсацию цепи обратной связи.

Ограничения схемы

  • Выход не ниже входа. Даже без переключений вход через дроссель и диод заряжает выходной конденсатор почти до входного напряжения. Отключить нагрузку от входа повышающая схема без дополнительного ключа не может.
  • Большие коэффициенты. По формуле выход растёт без предела при D → 1, но на практике отношение напряжений при заполнении, близком к единице, падает из-за потерь (AN1114, рис. 5).
  • Пусковой ток. При включении выходной конденсатор заряжается от входа через дроссель и диод.

Типичные ошибки

  • Расчёт ключа по выходному току. Через ключ и дроссель идёт входной ток, который в 1/(1 − D) раз больше выходного.
  • Дроссель с малым током насыщения. Пиковый ток — входной ток плюс половина размаха пульсаций.
  • Конденсатор только по ёмкости. Ток пульсаций выходного конденсатора повышающей схемы велик — проверьте допустимый ток пульсаций и ESR.
  • Диод на малое напряжение. Он должен выдерживать выходное напряжение в обратном направлении.

Частые вопросы

Как рассчитать повышающий преобразователь?

Заполнение D = 1 − Uвх/Uвых при минимальном входном напряжении. Входной (средний ток дросселя) — Iвых/(1 − D). Размах пульсаций тока дросселя ΔIL = Uвх·D / (f·L); пиковый ток ключа — входной ток плюс половина размаха. Выходной конденсатор питает нагрузку, пока ключ замкнут: C > Iвых·tвкл / Uпульс (AN1207). Ключ и диод — на выходное напряжение с запасом.

Почему повышающий преобразователь не может выдать напряжение ниже входного?

Когда ключ разомкнут, вход через дроссель и диод напрямую соединён с выходом, и выходной конденсатор заряжается почти до входного напряжения даже без переключений. Регулировать выход вниз от этого уровня схема не может; для выхода, который бывает и ниже, и выше входа, нужны другие схемы — например, инвертирующая или понижающе-повышающая.

Можно ли получить 100 В из 5 В одним повышающим преобразователем?

Формула Uвых = Uвх/(1 − D) это допускает при D = 0,95, но Microchip в AN1114 показывает, что в реальной схеме отношение напряжений при заполнении, близком к единице, не растёт, а падает — из-за потерь в дросселе, конденсаторе и полупроводниках. Для больших коэффициентов используют схемы с трансформатором.

Источники

  1. Microchip. AN1114: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part I) (DS01114A) — рис. 4, 5, уравнения 5, 6: работа повышающего преобразователя, отношение напряжений и его спад при заполнении, близком к единице, ток пульсаций выходного конденсатора
  2. Microchip. AN1207: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part II) (DS01207B) — уравнения 46–64: токи дросселя, отношение напряжений и токов, выходной конденсатор, обратное напряжение диода, напряжение на ключе, средние токи
  3. STMicroelectronics. MC34063AB, MC34063AC, MC34063EB, MC34063EC (DocID5257 Rev 13) — пример микросхемы повышающего преобразователя: ключ 1,5 А и 40 В

Нашли ошибку?

Смотрите также