BOOST结构的工作原理及波形

2023-12-15

  在电源芯片的规格书中,我们常常会遇到这样一个参数:Switch Current Limit,翻译过来就是“开关电流限值”,常有些人误认为这就是输出电流限值。那么什么是开关电流?

  开关电流与输入输出电流有什么关系,知道了开关电流限值,我们怎么确定最大输入、输出电流呢?第一个问题很好回答,开关电流就是流过开关管的电流。但第二个问题就比较复杂了,不同的拓朴结构,他们三者之间的关系也是不同的。

  本次我们先讨论一下 BOOST 升压结构下,三者之间的关系。

  BOOST 结构的工作原理及波形

  BOOST 结构简单原理图见图 1,工作时各点的电压电流波形见图 2。

BOOST结构的工作原理及波形 (https://ic.work/) 电源管理 第1张

  不考虑上电时的情形,仅考虑稳定工作时,情况如下:当开关管 Q 导通时(开关管电压为 0),电感 L 相当于一端接 VIN,另一端通过开关管接到 GND。

  此时,VIN 给电感充电(电感电压左正右负),电感电流上升,由于开关管串联在回路中,故此段时间,开关管 Q 电流等于电感 L 电流,同时此过程续流二极管 D 反偏,故二极管上无电流。

  当开关管 Q 关断时,由于电感电流不能突变,电感电压变为左低右高,此时有 VIN+VL=VOUT,(VL 为电感 L 上电压差),故开关管 Q 关断时承受的电压为 VOUT。此时由于电感给 COUT 电容及负载供电,电流逐渐减小,又由于电感与续流二极管 D 串联,故流过肖特基的电流等于电感放电电流,同时由于开关管 Q 关断,故开关管 Q 的电流为 0。

  开关电流与输入、输出电流的关系

  通过上面的分析,我们知道,对于 BOOST 电路,电感始终与 VIN 串联在一起,也就是说,电感的平均电流等于输入电流;同时,上面的分析也可以得出,流过开关管的最大电流等于电感的最大电流。故,BOOST 结构电路的开关电流与输入端电流直接相关。

  由于电感上电流有一定的纹波(纹波大小与电感的感量有关),在实际选型时,要求系统输入电流小于开关电流限值,并留有一定的余量(考虑到电感感量及功率问题,通常我们建议留 1 倍的余量,即开关电流限值为 5A 时,输入端电流不超过 2.5A)。

  通过输入端电流,可以推算出输入功率,也就可以进一步推算出最大的输出电流;由于输出电压大于输入电压,所以输出电流肯定小于输入电流。

  综上:实际应用中开关电流(ISW)大于输入电流(IIN),输入电流(IIN)大于输出电流(IOUT)。

  实例

  以 XL6006 BOOST 结构为例,计算 12V 输入,24V 输出时,推算 XL6006 能做到的最大输出电流值?(XL6006 开关电流限值 5A)。

  开关电流限值为 5A,留 1 倍的余量时,推荐最大输入电流:5A/2=2.5A

  则输入端功率:2.5A*12V=30W

  按效率 90%计算,输出端功率 30W*0.9=27W

  输出端电流:27W/24V=1.125A

  元器件选型时注意事项:

  输入电流平均值为 2.5A,电感续流能力至少按照 1.5 倍选取,即 2.5A*1.5=3.75,选用续流能力 4A,感量 47uH 的铁硅铝材质电感;流过肖特基的峰值电流与电感峰值电流相同,肖特基可以选用电流能力 5A,耐压 40V,SMC 封装,如 B540C。由于功率较大,要做好系统散热处理。

  

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