在某些场合下,采用低电压电源(例如1.5V干电池),需要进行升压DC-DC转换、升压或降压DC-DC转换及隔离DC-DC转换时,如果负载比较固定,且对电源电压精度及波纹要求不高的情况下,采用分立元件的自激式DC-DC转换电路可以节约成本,且电路结构简单。下面列举几种自激式DC-DC电路。
一、自激式Boost升压电路
工作原理:
当输入电压Uin接通时,三极管Q1基极通过R1导通,集电极电流通过R2注入三极管Q2,使Q2导通。三 极管Q2导通后,其集电极电位降低,电容C1通过三极管Q1基极产生充电电流,电容C1电位左高右低,三级管Q1基极电流显著增大,其集电极电流也增大,进而三极管Q2饱和加深,其集电极电位进一步降低,形成正反馈。 三极管Q1,Q2,电阻R1,R2和电容C1构成正反馈电路。在三极管Q2饱和导通中,电感L1电流流过三极管Q2集电极,并且电流等比例增大。由于三极管Q2不能无限饱和,电流增大到一定值时,三极管Q2退出饱和,集电极电位升高。集电极电位升高后,与电容C1电压叠加,使Q1基极电压高于输入电压Uin,Q1迅速截止,进而Q2也截止。Q2截止后,电感产生自感电动势,与输入电压Uin叠加升压,电感电流通过二极管D1向负载和电容C2充电。 电感电流流过D1的过程是释放能量的过程。在放能过程中,电感电流的一部分通过电阻R1给电容C1充电;放能结束后,电感电流为零,电容C1电压左低右高。电感放能结束后,一个自激振荡周期完成了,接下来三极管Q1通过R1导通,再导通Q2,Q2导通后,电容C1
再次通过Q1基极充电实现正反馈过程,新的振荡周期开始。
电路设计过程中需要对各元件进行计算选值。该电路的升压原理与普通Boost 升压电路相同,且该电路中电感一般工作在电流临界连续状态。在三极管Q2饱和导通期间,电感L1电流i L1表达式如下:
i L1=(U in −U CE )t D
L 1
其中,t D 为三极管Q2周期内导通时间,U CE 为三极管Q2饱和压降。
在三极管Q2断开,电感L1放能时,电感放能时间t 1-D 表达式如下:
t 1−D =L 1i D U out +U D1−U in
其中,i D 为电感峰值电流,U out 为输出电压,U D1为二极管D1正向压降。
电感的峰值电流由三极管Q2饱和电流决定。由于三极管的非线性特征,饱和电流只能通过查资料和粗略估算,粗略的估算公式如下:
i D =β1β2(U in −0.7)R 1
其中,β1、β2分别为三极管Q1、Q2直流放大系数。
电路的振荡频率与电感峰值电流,输入、输出电压都有关。电路振荡周期表达式如下:
T =t D +t 1−D =L 1i D U in −U CE +L 1i D U out +U D1−U in
电路工作在电感电流临界连续状态下时,负载电流i L 与电感峰值电流表达式关系如下:
i L =i D 2
这样可以得出电感电流临界连续状态下电感L1的值计算表达式如下:
L 1=T
2i L U in −U CE +2i L U out +U D1−U in
在固定负载情况下,根据负载电流,输入、输出电压,再选择一定的频率,就能计算出电感值。
反馈电容C1的选择比较关键,电容值过小,在电感放能时,电容充电时间短,导致R1上电压过早降低,而使Q1、Q2过早导通,电感能量不能完全释放完;电容值过大,会导致Q1导通时基极给电容充电电流过大,增加功耗。因此,反馈电容值满足能使电感在放能时间里,R1上的电压大于等于电源电压Uin ,这样就能在电感放能时间里保持Q1、Q2有效截止。电容C1值可粗略用如下公式计算。
C 1=t 1−
D R 1ln U out +U D1+U in −U B
E −U CE U in
其中,U BE为Q1射极-基极压降,U CE为Q2集电极-射极饱和压降。
输出电容C2的选取也需要注意。一般他激式的Boost升压电路中,输出电容越大,输出电压波纹越小,也就是输出电容越大越好。在自激式Boost升压电路中,输出电容过大,会导致自激起振过程中,输出电容拉低电感的自感电动势,使Q1不能快速截止,会导致电路无法起振。在实际使用中,输出电容需要进行试验。输出电容可根据负载电流、振荡周期、输出电压波纹来计算,计算式如下:
C2=
2L1i L2
∆V(U in−U CE)
其中,ΔV为设定的输出电压波纹值。
自激式Boost升压电路适合输入电压比较小(可小至1.5V),输出电流比较小,且负载电流比较固定的情况下使用。如果负载电流有一定波动,可在输出端并联稳压二极管来稳压。如果波动较大,可以在电路中加入电压反馈环节来实现反馈稳压,如下图所示。
二、自激式反激变换电路1
将自激式Boost电路进行变形,用变压器替换电感,可得如下自激式反激变换电路。该电路输入、输出电压隔离,可升压可降压。
工作原理:
该电路的自激振荡过程与自激式Boost升压电路非常相似。在三极管Q2饱和导通时,变压器T1主绕组电流成比例增长,到Q2饱和电流不能再增加时,开始关断;关断后,变压器T1主绕组电压上负下正,保持Q1、Q2截止,变压器主绕组储存的能量在副绕组释放,副绕组通过D1向电容C2充电。该电路输出端空载时需要带假负载,并且输出电容过大也会导致无法起振。
在三极管Q2饱和导通期间,变压器T1主绕组电流表达式如下:
i P=(U in−U CE)t D
L P
其中,t D为三极管Q2周期内导通时间,U CE为三极管Q2饱和压降,L P为主绕组电感。
在三极管Q2断开,变压器副绕组放能时,放能时间t1-D表达式如下:
t1−D=
N s L P i PD
N p(U out+U D1)
其中,i PD为主绕组峰值电流,U out为输出电压,U D1为二极管D1正向压降,N P为主绕组匝数,N S为副绕组匝数。
变压器主绕组峰值电流由三极管Q2饱和电流决定。由于三极管的非线性特征,饱和电流只能通过查资料和粗略估算,粗略的估算公式如下:
i PD=β1β2(U in−0.7)
R1
其中,β1、β2分别为三极管Q1、Q2直流放大系数。
电路的振荡频率与变压器主绕组峰值电流、主绕组电感、匝数比、输入、输出电压都有关。
电路振荡周期表达式如下:
T =t D +t 1−D =L P i PD U in −U CE +N s L P i PD N p (U out +U D1)
负载电流i L 与主绕组峰值电流i PD 之间的关系式如下:
i PD =2i L (U out +U D1U in −U CE +N s N p
) 由以上两式可得变压器主绕组电感的计算公式如下:
L P =T 2i L [U out +U D1(U in −U CE )2+2N s N p (U in −U CE )+N s 2N p 2(U out +U D1)] 反馈电容C1粗略计算公式如下:
C 1=t 1−D
R 1ln N p N s (U out +U D1)+U in −U BE −U CE U in
输出电容C2与自激式Boost 电路情况相似,值过大会拉低变压器主绕组的感应电势,导致起振困难。输出电容C2计算公式如下:
C 2=L P i P
D 22∆V (U out +U D1)
其中,ΔV 为设定的输出电压波纹值。