前言
前面我已经讲过降压(buck)中,其恒流源中电感的计算方式,其本质是找到电感电流中电感纹波最大的点,也就是当输入和输出存在什么样的关系时,电感电流的纹波最大,这个结论我们已经通过推导得到,也就是当输出电压是输入电压的一半(1/2)时,也就是在这个情况下计算电感量,才能满足系统对纹波的设计要求,那么对于升压(boost)中,这个关系是如何的呢?我们接着往下看。
升压(boost)和降压(buck)是开关电源中最为常用的两种拓扑,升压是对输入电压的抬升,使其高于输入电压,而降压则刚好相反,所以这两种拓扑是相辅相成的,升压拓扑从输出看输入则为降压拓扑,降压拓扑从输出看向输入则为升压拓扑,在实际电路中我们只要把握主开关的控制,则升压和降压是相互转化的。
如下是升压或降压的拓扑示意图,当Q1为控制主开关时,拓扑表现为降压;当Q2为控制主开关时拓扑为升压。主开关之外的另一个开关管是电感的续流管。
鉴于这两种拓扑的特点来看,升压和降压拓扑是一种“镜像”对称的拓扑电路。
对于恒流的升压电路或者对纹波敏感的电路,如升压功率因数校正电路(PFC)电路,纹波会直接影响谐波分量,所以,我们依旧追问升压(boost)电路中最大纹波在哪里?
回到基础,如下是法拉第电磁感应定理和电感磁通定义表达式,由此我们可以推导出常用的电流变化率和电感电压的关系,如下假定电感是励磁过程,可以得到电流的交流变化量△I。
我们根据升压(boost)拓扑特点对以上表达式进行化简,基于升压(boost)基本的公式,在主开关管开通过程中,电感两端的电压是输入电压(Uin),以及输入和输出的直流传递函数,也就是连续模式(CCM)下输入和输出满足的占空比(D)关系。
将式子进一步化简,可以得到一个二次函数,这里把输入Uin当做一个自变量或未知量,可以容易得到输出电压等于输入电压的2倍时,电流纹波最大。
所以当占空比D=0.5时计算得到的电感量,此时电感电流的纹波最大。
同样如同对恒流降压(buck)推导一样,我们还可以将上面式子进行变换,得到分母含有D*(1-D)的式子,我们知道这个式子在D=0.5时会出现最大值,所以我们同样得到boost恒流源中,电感纹波电流△I最大是在输出电压Uo为输入电压Uin的2倍的点,而buck则刚好是输入电压是输出电压的1/2时,电感电流纹波最大,这里也表现出这两种拓扑的“镜像”特征。
如上式子中,我们对这个△I进行数据模拟,可以看到它是两头小中间大的结果,可以看到D=0.5时,电感电流△I最大,这个占空比也就是输入是输出的1/2的情况。
电感量计算公式,当D=0.5时,利用如下计算式,我们可以得到最大的电感量
以上表达式同样可以计算功率因数校正电路的电感量,其中电感电流的纹波电流△I可以通过电流纹波率(r)来界定。
以下是功率因数校正(PFC)电路中,电感量的计算,可以看出设计要求中,也是D=0.5时计算电感量。