如何設(shè)計(jì)超低壓差的BOOST變換器

在實(shí)際的應(yīng)用中，電子系統(tǒng)會(huì)遇到一些超低壓差的BOOST變換器，如基于USB供電的系統(tǒng)，由于考慮到USB線上的壓降，會(huì)采用一個(gè)升壓的BOOST變換器，將電壓升到5V以上，如5.15V，5.2V或5.25V。通常USB口由于輸出負(fù)載的影響以及主機(jī)USB電源管理功能的差異，其電壓會(huì)在4.75V到5.1V之間波動(dòng)，對(duì)于從4.5-5.1V的輸入升到輸出為5.15V的BOOST變換器，當(dāng)輸入為最高的5.1V而輸出5.15V時(shí)，設(shè)計(jì)就會(huì)有遇到一些問(wèn)題。在本文中將討論這種變換器設(shè)計(jì)的問(wèn)題，并給出相應(yīng)的方案，從而為電子工程師提供一些設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

1 超低壓差Boost變換器的設(shè)計(jì)問(wèn)題

基本常規(guī)的Boost變換器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，功率MOSFET為主開(kāi)關(guān)管，D為輸出升壓二極管，如果把二級(jí)管換為功率MOSFET，則為同步Boost變換器。

圖1：Boost變換器

在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感激磁，電感電流線性增加存儲(chǔ)能量，輸出電容提供全部的輸出負(fù)載電流。

（1）

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感去磁，電感電流線性降低加，輸入電源和電感向輸出負(fù)載提供能量。

（2）

由（1）、（2）上兩式可以得到：

（3）

若Vin=5.1V，Vo=5.15V，VF=0.4V，可以得到：D=8.1%。

電流模式的BOOST變換器，電流檢測(cè)信號(hào)有一定的延時(shí)，同時(shí)為了消除開(kāi)通前沿的電流尖峰導(dǎo)致內(nèi)部信號(hào)誤動(dòng)作，電流檢測(cè)信號(hào)通常都設(shè)有前沿消隱時(shí)間LEB，這也是PWM控制器固定的最小導(dǎo)通時(shí)間 ［1］ ，一般在50-250nS的范圍。

若BOOST變換器的開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，LEB=100nS，從5.1V升到5.15V的導(dǎo)通時(shí)間為=81nS，小于系統(tǒng)的100nS值，這時(shí)候，在每個(gè)導(dǎo)通的周期，輸出電壓會(huì)沖到很大的值，PWM控制區(qū)器將進(jìn)入跳脈沖的工作狀態(tài)［2］ ，輸出電壓紋波很大，如果BOOST變換器沒(méi)有輸出過(guò)壓保護(hù)功能或這個(gè)功能保護(hù)時(shí)間慢，輸出電壓的過(guò)沖有可能會(huì)損壞后面的芯片。

2 解決方案

由于PWM的最小導(dǎo)通時(shí)間是系統(tǒng)固有的值，不可以改變，從公式（3）可以得出：增大占空比或減小開(kāi)關(guān)頻率，可以提高在最高輸入電壓時(shí)導(dǎo)通時(shí)間Ton，從而使實(shí)際的最小Ton的大于系統(tǒng)固有的最小導(dǎo)通時(shí)間Ton（min），這樣輸出電壓就一直處于調(diào)節(jié)的范圍，系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入跳脈沖模式。

如果Boost變換器的開(kāi)關(guān)頻率可以從外面來(lái)設(shè)定，那么就可以調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率。在一些手持式系統(tǒng)中，一般會(huì)采用盡可能高的開(kāi)關(guān)頻率，以減小相應(yīng)的電感和輸出電容的體積，從而降低系統(tǒng)的體積并降低系統(tǒng)的成本。因此工程師一般不會(huì)采用低的開(kāi)關(guān)頻率。

同時(shí)，目前許多單芯片集成MOSFET 的Boost變換器的開(kāi)關(guān)頻率是固定的，以去掉外置的電容和IC的一個(gè)管腳。這樣一來(lái)，開(kāi)關(guān)頻率無(wú)法從外面進(jìn)行調(diào)整，只有想方法增大占空比。

從公式（3）可以看出，提高VF的值可以增大占空比，那么就可以采用圖2的方法，輸出串聯(lián)一個(gè)二極管，從而提高最小的占空比值。

圖2：增大BOOST變換器最小占空比

此時(shí)，占空比為：。

同樣，若Vin=5.1V，Vo=5.15V，VF=0.4V，可以得到：D=14.3%。串聯(lián)一個(gè)二極管后，占空比從8.1提高到14.3，導(dǎo)通時(shí)間為143nS，大于系統(tǒng)的100nS值。這種方法的缺點(diǎn)是額外的增加一個(gè)元件，同時(shí)系統(tǒng)效率降低。

3 結(jié)論

通過(guò)在輸出額外的串聯(lián)一個(gè)二極管可以提高系統(tǒng)的最小占空比，避免系統(tǒng)進(jìn)入跳脈沖的工作狀態(tài)，產(chǎn)生大的紋波，適合于開(kāi)關(guān)頻率固定，超低壓差的BOOST變換器。額外串聯(lián)的二極管降低系統(tǒng)的效率。