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Boost升压电路的设计案例详解

2023-12-02 02:07:09

学校的智能车队在招新,没错就是NXP的那个智能车比赛。作为大三老狗肯定要去凑一下热闹的,由于软件方面学烦了,不喜欢那些”虚头八脑“的PID控制,不喜欢调参,于是报了硬件组。(其实是觉得硬件好划水)

硬件组的第二轮技术考核就是设计三个BUCK电路以及一个BOOST电路,具体要求如图:

电源的输入部分是NXP智能车比赛标配的2S 2000mah锂电池一块(电压范围7.2v~8.4v)。所以3.3v、5v、6v就是三个BUCK降压电路,12v就是Boost升压电路。在本文要讲的是Boost升压电路的设计。

一说到电源设计,不可避免的就会想到LDODCDC。

LDO:低压差线性稳压源,可以用做降压电路,在本次技术考核中,使用LDO显然不是一个明智的选择。简单计算一下效率就可以知道:3.3v/8v * 100% = 41.25% 也就是说理想状况下LDO都有一半以上的功率用于发热了。因而,我们应该选用DCDC芯片来完成考核指标。那LDO可以干啥呢?如果输入,输出端压差较小就可以选用LDO,并且LDO可以看作一个电压跟随器,前后级隔离,还能起到滤波作用。

DCDC:直流转换器又称开关电源,可以做BUCK电路,也可以做BOOST电路,有的DCDC芯片两者都能做。例如BUCK电路常用的DCDC有TPS54540,这是一款支持42V 5A的高性能芯片。而MC34063呢,这个芯片非常的骚,骚就骚在它能做BUCK电路,也可以做BOOST电路,这还没完,甚至还可以做反相器。如果你是一个狂热的电子爱好者,不妨拆开手边的廉价电子设备,比如机顶盒、车载充电器,里面总能找到MC34063。这个芯片除了功能多以外,生产&山寨他的厂家也非常多,贵的几块钱,便宜的几毛钱。所以是个骚的不行的芯片。

下图是MC34063的内部结构图:

从图里面可以看出这个芯片还是挺简易的,对比一下tps54540的结构框图:

可以看出tps54540的结构框图比mc34063复杂了很多。mc34063的结构非常简单:

一个1.25v参考电压构成的比较器

一个振荡器由外部电容控制,3脚是接定时电容的;

一个达林顿管(8);

一个开关三极管Q1;

开关集电极引脚(1),开关射级引脚(2);

一个电流感应输入(7);

以及最重要的反馈输入(5)。

废话说完,该讲讲这个技术考核的电路该怎么设计了。首先,看芯片的数据手册(Datasheet),图14给出了设计指南:

我们设计的是BOOST电路,所以应该看Step-Up这一栏。从上往下一个个的计算:

由技术考核内容,我们可以得到以下指标:Vout = 12V,Vin(min)=7.2v,Iout(max) = 200mA,Vripple(pp) = 100mV;

看第一栏:Vout、Vin(min)已知,需要查表得到VF和Vsat。这两个指标在设计指南表格下方也有提到,如图所示:

VF即为二极管正向压降(直译过来应为输出整流器的正向压降,在本例中使用的是1n5819整流二极管),Vsat是芯片内部三极管的饱和电压。

来看看1N5819的datasheet,假设通过输出端的电流为1A,可以知道压降为0.45V。不过我们这个电路输出端只有200mA,所以不妨取0.4V。即VF=0.4V

接着在MC34063的datasheet中找到三极管的饱和电压:

这里有两个Vsat,第一个是适用于BUCK降压电路的,我们是BOOST升压电路,所以应该看第二个。典型值0.45v,不妨取0.5v。

所以我们这里就可以计算出来Ton/Toff = 0.78

第二个计算Ton + Toff,开关频率f取一个常用值100k,所以Ton + Toff = 10us。(DCDC和LDO电路设计上有一个非常大的区别就是DCDC电路包含电感,而LDO电路则没有电感,如果这里的开关频率取值高,那么电感值小,但是损耗也更大。如果这里的开关频率取值低,那么需要的电感值就大,这有点类似于运放的增益带宽积,是一个平衡问题,看具体设计而选择不同的值,由于这里只是一个小技术考核,所以取一个常用值100k。)

第三个Toff就可以很容易计算出来:10us/1.78 = 5.6us,那么Ton也可以求出来:Ton = 10us - 2.7us = 4.4us。

接着计算定时电容CT的值:根据公式可以很快算出CT = 176pF

第五个计算Ipk,直接套公式 Ipk = 0.71A

再往下算Rsc = 0.3/0.71 = 0.42Ohm

L(min) = (7.2-0.5)*4.4/0.71 = 41uH

CO = 80uF。

算完表格里还没完, 下面还有参数要算:

5脚反馈回路中的R1R2可以算出:R1 =1.5kOhm, R2 = 13kOhm 这两个都要选择用1% 的精密电阻,输出的电压才会准确。

下面是我画的原理图:

其实可以用网上的MC34063计算器来设计,不过按照文章中的方法过一遍Datasheet还是很爽的。