boost电路电容电流的有效值

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BUCK-BOOST电路是一种常用的DC/DC变换电路，其输出电压既可低于也可高于输入电压，但输出电压的极性与输入电压相反。下面我们详细讨论理想条件下，BUCK-BOOST的原理、元器件选择、设计实例以及实际应用中的注意事项。

2BUCK-BOOST电路原理
BUCK-BOOST电路简图


图1.BUCK-BOOST电路简图


当功率管Q1闭合时，电流的流向见图2左侧图。输入端， 电感L1直接接到电源两端，此时电感电流逐渐上升。导通瞬态时di/dt很大，故此过程中主要由输入电容CIN供电。输出端，COUT依靠自身的放电为RL提供能量。

当功率管Q1关断时，电流的流向见图2右侧图。输入端VIN给输入电容充电。输出端，由于电感的电流不能突变，电感通过续流管D1给输出电容COUT及负载RL供电。

系统稳定工作后，电感伏秒守恒。Q1导通时，电感电压等于输入端电压VIN；Q1关断时，电感电压等于输出端电压VOUT。设T为周期，TON为导通时间，TOFF为关断时间，D为占空比(D=TON/T)，下同。

■由电感伏秒守恒有：


VIN*TON=VOUT*TOFF

VIN*D*T=VOUT*(1-D)*T

■由此可得：


VOUT=D/(1-D)*VIN

D=VOUT/(VOUT VIN )

占空比小于0.5时，输出降压；占空比大于0.5时，输出升压。以上式子只考虑电压的绝对值，未考虑输出电压的方向。

图2.BUCK-BOOST电流流向


Q1闭合


Q2断开


3BUCK-BOOST元器件计算及各点波形(电感电流连续模式)
以下均在电感电流连续模式下讨论，即CCM。

首先我们先看一下各点理想情况下的波形：

图3.关键元器件电压、电流波形





电感L1

通常ΔI可以取0.3倍的IIN IOUT，在导通时，电感的电压等于输入电压，电感感量可由下式计算：


L=(D*VIN)/(0.3*FSW*(IIN IOUT ) )

若按上述感量选择电感，则流过电感的峰值电流：


ILPEAK=IIN IOUT ∆I/2=1.15*(IIN IOUT)

实际应用应留有一定的余量，电感的电流能力通常取1.5*(IIN IOUT)以上。

续流二极管D1

当Q1导通时，续流二极管的阴极SW点电压为VIN，续流二极管的阳极电压为-VOUT，故D1承受的电压为：


VD=|VIN| |VOUT|

当Q1关断时，续流二极管续流，电流的峰值为ILPEAK，平均电流为IOUT。

由于二极管在高温下漏电容易造成芯片的损坏，故通常要留有一定的余量，其中电压建议1.5倍的余量。

功率管Q1

当Q1关断时，SW点电压被钳位到-VOUT，故功率MOS承受的最大电压：


VMOS=|VIN| |VOUT|

当Q1导通时，Q1的电流峰值为ILPEAK，平均电流为IIN。

输入电容

输入电容纹波电流有效值可用下式计算：


如果设CIN电容在MOS导通时，电压跌落不超过ΔV1，则可用下式计算最小容量：


输出电容

输出电容纹波电流有效值可用下式计算：


如果设COUT电容在MOS导通时，电压跌落不超过ΔV2，则可用下式计算最小容量：


4设计实例
要求

输入电压10～14V，输出电压-5V，输出电流1A，选取合适的芯片，并计算主要元器件参数。

解决步骤

计算输入电流：输出功率约5W，输入最大电流，假设80%的效率，则输入电流为5W/0.8/10V=0.625A；

计算输入峰值电流：


1.15*(1A 0.625A)=1.87A

计算功率管、续流肖特基管峰值电压：|-5V| |14V|=29V；

选择合适的芯片，可选耐压为40V左右，电流能力大于2A以上的BUCK降压芯片，此处选择XL4201；

计算10V时的占空比：


D=5V/(5V 10V)=0.33

计算电感量：


L=0.33*10V/(0.3*150KHz*(1A 0.625A))=45uH

计算最小电流能力：


IL=1.5*(1A 0.625A)=2.44A

选用47uh/3电感；

肖特基二极管耐压要大于29V，平均电流1A，峰值电流约1.87A，可选SS36；

输入电容纹波电流有效值：


ICINRMS=0.625A*sqrt((1-0.33)/0.33)=0.89A

“sqrt”代表根号；

假设输入电压最大跌落0.05V，则


CIN=(1-0.33)*0.625A/(0.05V*150KHz)=56uF

选用47uF电解电容；

输出电容纹波电流有效值：


ICOUTRMS=1A*sqrt(0.33/(1-0.33))=0.70A

假设输出放电电压最大跌落0.05V，则


COUT=0.33*1A/(0.05V*150KHz)=44uF

选用100uF电解电容。

实际电路可参考下图：


图4.XL4201 BUCK-BOOST参考电路图


五、注意事项1
芯片与肖特基二极管D1的耐压均要大于输入电压与输出电压绝对值之和；

2
CINB与C1为芯片提供纯净电源，CINB可以选用10uF以上电容即可；

3
芯片的GND引脚与输入、输出功率地不是同一属性，注意区分；

4
BUCK-BOOST电路的效率要低于单纯的BUCK或BOOST电路，实际使用时要注意多留余量。

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