【基础设计】如何设计一个DC-DC升压开关电路(7/5更新）

rollei120

补一张电感的电流图。电感的电流在开关周期中，呈现下面的样子，储能阶段，电流上升，释放能量阶段，电流下降。可以看到电流会有个峰值 Ipk。这个峰值也是我们选择电感时要参考的一个指标。具体会在以后提到。

                               
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rollei120

接下来，我们看下如何设置输出电压的大小（或者是改变你手中移动电源的输出电压），根据规格书，计算公式是这样的：
Vout=Vfb X (1+R1/R2)
Vfb是IC内部的参考电压，对于ISL97516来说是1.294V。其他IC可以参考他们的规格书。R1和R2是两个外部的反馈电阻。在最前面的具体电路图中，可以看到这两个电阻，上面标了R1=85.2K和R2=10K，这个值是对输出设置12V而言的。这里再画一个示意图：

                               
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FB为IC的反馈脚，VDD_OUT是电压输出端，反馈电阻R1直接接到输出端。我这里还多了个R3，下面会说到它。
同时规格书还规定了，这个电阻的网络值不应小于100K，即R1+R2<100K。当然R1+R2的值如果太小的话，会影响空载时的耗电。
如果我们要设置输出电压为5V，则5=1.294VX （1+R1/R2）。公式里有2个未知数，如何确定？首先要看你手上有什么电阻，比如10K的比较常见，那么我们可以设R2=10K，这样可以算出R1=28.64K。且10+28.64=38.64<100K符合要求。可是28.64k，这个 电阻值并不常见，怎么办？我们可以用2个电阻并联的方法去解决，也就是上面图中的R3的作用，想办法找两个现成的电阻值，并出28.64K来。我们可以用：R1=220K，R3=33K，并出28.69K的值。这样可以得到Vout=5.0V。
到这里我们可以知道如何调整电压了，对于其他IC来说，这个公式都是差不多的，只是你需要看规格书里提到的内部参考电压的值，不同的IC，这个值是不一样的。当然改动输出电压，你还需要考虑其他的因素，比如电容的耐压值，电感值，回路参数等。如果小范围改动，问题不大，若是大范围改动，则要考虑更多的因素。具体以后再说。

rollei120

看来技术帖是不受欢迎的。大家比较喜欢拆电源。

seiki

关注！等LZ讲解电感的选择及计算

rollei120

seiki 发表于 2012-6-28 10:24

                               
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关注！等LZ讲解电感的选择及计算

还好，有人捧场。
下午开始写电感的选择，会有一些复杂的计算公式。

seiki

呵呵  只是LZ你讲的都是专业知识，实在是插不上话！只有看着你讲的份了！不管有没人关注，请LZ至少将这一过程讲完

bypbyh

感谢楼主!

rollei120

电感的选择
电感的选择对于开关电源来说非常重要，这会影响：输出纹波、暂态响应、输出负载能力和效率。电感的选择由输入电压，输出电压，开关频率和最大输出电流决定。
关于电感值，这份规格书里没有给出计算公式，只是说电感的选择范围在2-33uH。我在其他的资料里找到升压booster的电感计算公式，单位是uH：

                               
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说明：Vo输出电压
                Vsw开关管的饱和压降，ISL97516规格书里并没有给出这个值的大小。
                Vd 肖特基管的正向压降。
                Io 设计的最大额定输出电流。
                r 期望的电感纹波比率
                f 开关的频率
                D占空比
看上去挺复杂的，我用一个实际的例子，来计算一下。
1， Vo输出电压，我们是设计一个5V输出的电源，所以Vo=5V
2， VSw和Vd，这里我们可以近似忽略他们，他们的值都在0.2-0.4V左右，一正一负，相互抵消。
3， Io是我们设计时的输出最大额定电流，对于ISL97516，如果输出是5V，这个输出的电流Io是1A
4， r一般我们取30%-40%，这里我们取30%，（越小越好）
5， f开关频率，ISL97516有2个频率可以选择，600KHz和1.2MHz。
6， D占空比，之间我们已经得出占空比的公式了。
下面我开始计算：（先计算频率为600KHz）
占空比D=1-Vin/Vout
锂电的电压范围是3.0-4.2V。
当电池容量比较满时，Vinmax=4.2V，占空比Dmin=1-4.2V/5V=0.16
电感Lmin=VoX D X (1-D)^2 X 1000000/Io/r/f=5V X 0.16 X (1-0.16)^2 X1000000/1A/0.3/600000Hz=3.136uH
当电池就快没电时，Vinmin=3.0V，占空比Dmax=1-3.0V/5V=0.4
电感Lmax=VoX D X (1-D)^2 X 1000000/Io/r/f=5V X 0.4 X (1-0.4)^2 X1000000/1A/0.3/600000Hz=4uH
这里我们计算出2个电感值，一个是低输入电压时的4uH，一个是高输入电压时的3.136uH。我们需要选择高的4uH（保险起见，实际选择时可选择稍高值的，比如4.7uH），这样才能保证在电池快没电时，仍然能保证我们的输出质量。

                               
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对于这个电感的计算公式，我们可以看到，频率f越大，电感值越小，电感值越小，意味着电感的体积越小。如果ISL97516选择1.2mHz时，电感值可取2uH。这也是我们拆开电源时，看到有些用的电感很大，有些很小。很大的我们觉得用料很好，小的则对其指指点点。用电感的大小来判断电源好坏，并不是绝对正确的。
接着我们要知道流过电感的峰值，电感上的电流是不断变化的，且会出现一个最大值，见下图。我们需要知道这个最大值，做为选择电感的依据。

                               
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同样流过电感的峰值也可以用公式计算出来：

                               
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说明：
Iout输出的最大额定电流，这里我们设计的是1A
Vout输出的电压，我们设计的是5V
Vin 输入的电压，我们需要取最小的输入电压，快没有电时，3.0V
FREQ 我们取600kHz。
L则是我们刚才计算出的电感，选用4.7uH。（需要注意单位的换算，1H=10000uH）
IL（peak）=1A X5V/3V + ½ X 3V X (5V-3V)/4.7uH/5V/600KHz=1.88A
我们得出电感上最大的电流为1.88A。我们设计一个5V1A的电源，但电感上流过的最大电流会去到差不多2A！我们回过头来看ISL97516规格书开头的特性，有一条是说集成2.0A的MOSFET。这也是2A场效应管，我们只能做到额定1A5V输出的原因。
好了，到这里我们知道了电感的两个参数：电感值4.7uH和最大电流1.88A。我们可以开始选择电感了。下面这个是TDK电感规格书里的，我们来看看。

                               
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第一栏PartNo.是物料的编号。第二栏是电感值，我们需要4.7uH的。这样VLC5020T-4R
7N符合我们的要求。接下来，我们看第7栏额定电流，刚才那个电感的额定电流最小的 是2.0A，也符合我们1.88A的要求。这样，我们就可以确定VLC5020T-4R7N符合我们设计的要求。
以上是我们选择电感的步骤，计算有些复杂，不知大家是否能看得懂？如有问题，不妨提出来，大家讨论。

rollei120

seiki 发表于 2012-6-28 11:08

                               
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呵呵  只是LZ你讲的都是专业知识，实在是插不上话！只有看着你讲的份了！不管有没人关注，请LZ至少将这一过 ...

既然写了，就会写完的。谢谢支持！
如有问题，欢迎提出来讨论

rollei120

bypbyh 发表于 2012-6-28 12:18

                               
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感谢楼主!

谢谢支持！
如有问题，欢迎提出来讨论

放屁打老虎

收藏了。。。。得慢慢看。。

mytomatoes

geniuskim 发表于 2012-6-25 21:19  十分感谢，似乎大升压比情况下，效率迅速下降啊...确实难为电感了...唉，如果在10倍以上的情况（比如12V升 ...

用自耦的方法可以大幅度升压

rollei120

mytomatoes 发表于 2012-6-28 14:15

                               
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用自耦的方法可以大幅度升压

是不是和变压器的原理差不多？有没有具体些的资料？或者写个帖子，大家交流一下。

mikeliran

留个名 慢慢看

mytomatoes

rollei120 发表于 2012-6-28 15:07

                               
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是不是和变压器的原理差不多？有没有具体些的资料？或者写个帖子，大家交流一下。
...

这个                                                         耦合电感式的Boost电路分析研究 不是变压器。
  http://space.ednchina.com/ewebed ... 110708082836989.pdf

rollei120

mytomatoes 发表于 2012-6-28 22:24

                               
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这个                                                         耦合电感式的Boost电路分析研究 不是变压器。
  http://space.ednchina.com/ewebed ... 11070 ...

谢谢你提供的资料。计算还挺复杂，有空要好好研究一下。
不知这个耦合电感实际如何绕制？是否有现成的耦合电感产品？

zfyfeixiang

相当专业的技术贴，得好好看才行

lili_11

谢谢LZ~~希望LZ能写一下各种类型的电感的优点和缺点，另外输入输出电容的选择上有什么要求？？