升壓轉換器用於將較低的輸入電壓轉換成較高的輸出電壓。要獲得最大的「升壓」,需要盡可能提高運作的工作週期。

升壓控制器在最大連續工作週期上有所限制,後者通常在較低的開關頻率下達到最高。如果超過此最大工作週期,則會發生脈衝跳躍,這種情況通常不希望遇到,應當避免。許多控制器的最大工作週期在80%~90%的範圍內,如果它們以非常低的開關頻率工作,則可以增加幾個百分點。低開關頻率需要更大的元件和更大的電路板面積。但是,即使工作在低開關頻率下,仍然可能無法獲得足夠的升壓。那麼該怎麼做呢?

圖1顯示傳統升壓轉換器功率級的簡化示意圖。它的主要優點是元件數量少,採用標準電感,以及能夠實現簡單的低邊升壓控制器。但是,這個基本升壓有個關鍵限制是,假設最大工作週期為90%,它只能提供10:1的最大升壓比。如果需要更大的升壓,可以嘗試使用帶電荷泵倍增器的升壓轉換器或返馳式轉換器。將電荷泵添加到升壓轉換器,對於小輸出電流很有用,但需要額外的元件來實現。返馳式轉換器也是種合理的解決方案,但是,還有一種更簡單的解決方案,具有更少的變壓器引腳、更低的匝數比和更低的漏電感。

20200318TA31P1 圖1 傳統的單電感升壓轉換器功率級。

圖2提供了自耦變壓器升壓轉換器。它在同一磁芯上使用了兩個串聯繞組,作用是充當變壓器但沒有隔離。與返馳式轉換器相比,將原邊與副邊串聯可降低所需的匝數比,所需的引腳數也更少。

20200318TA31P2 圖2 自耦變壓器升壓轉換器可以比傳統的升壓轉換器提供更高的輸出電壓。

公式(1)表達了對於給定的Vin、Vout和n2/n1匝數比(忽略FET和電流檢測電阻電壓降),在連續導通模式(CCM)下運作的工作週期:

20200318TA31P2-1

可以看到,對於較大的n2/n1匝數比,工作週期會降低。這對於提供更高的輸出電壓來說很有利。對該運算式求解Vout,得到公式(2):

20200318TA31P2-2

可以看到,如果n2/n1 = 0,則該運算式與傳統的升壓轉換器相同。而對於n2/n1匝數比不為零的情況來說,Vout會增加一個附加值,它等於(n2/n1)*Vin*d/(1-d),因此可以產生更高的輸出電壓。

圖3顯示了幾種n2/n1匝數比的升壓比、Vout/Vin與工作週期的關係圖,其中包含了零值,即傳統的升壓比,用於比較。在90%的工作週期下,傳統的升壓比為10,而對於n2/n1 = 1的情況來說,升壓比為19,因此可以將輸出電壓提高到接近兩倍。可以使用標準的耦合電感輕鬆實現1:1的n2/n1比,這種電感大都很容易買到,較大的匝數比可以提供更高的輸出電壓。

20200318TA31P3 圖3 抽頭電感可降低工作週期並實現更高的輸出電壓。

通常,根據設計規格書可以知道升壓比。最大的實際工作週期是由所選控制器和所需開關頻率所確定,圖4顯示了如何輕鬆確定所需匝數比。例如,假設需要從10V輸入獲得250V輸出,希望將最大工作週期限制在80%,那麼就可以選擇250V/10V = 25的升壓比,然後遵循藍色曲線(d = 0.8),就可以得到所需的n2/n1為5。

20200318TA31P4 圖4 透過選擇升壓比和最大工作週期來確定所需的匝數比。

公式(3)提供了FET關斷時的電壓應力,而公式(4)表示了整流器的反向電壓應力:

20200318TA31P4-1

對於以上的設計示例,FET和整流器的電壓應力分別為50V和300V。FET的電壓應力遠低於傳統的升壓轉換器,後者FET的電壓應力約為250V!由於存在漏電感,因此可能需要使用電阻電容緩衝器來減少振鈴。

將自耦變壓器設計到CCM升壓轉換器中具有多個優點。只需增加一個繞組,就可以增加輸出電壓,而使其超過傳統的升壓轉換器。它可以降低運作的工作週期,從而實現更高的開關頻率、更小的元件尺寸和更低的FET電壓。工作週期降低還可以獲得更多的控制器選擇——以前在傳統的升壓轉換器中使用這些控制器時無法獲得夠高的工作週期。

(參考原文:Power Tips #90: Get more boost from your boost converter,by John Betten)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年3月號雜誌