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1 引言

  BOOST 電路又稱為升壓型電路,是一種直流一直流變換電路,其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。此電路在開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位,長(zhǎng)期以來廣泛的應(yīng)用于各種電源設(shè)備的設(shè)計(jì)中。對(duì)它工作過程的理解掌握關(guān)系到對(duì)整個(gè)開關(guān)電源領(lǐng)域各種電路工作過程的理解,然而現(xiàn)有的書本上僅僅給出電路在理想情況下穩(wěn)態(tài)工作過程的分析,而沒有提及電路從啟動(dòng)到穩(wěn)定之間暫態(tài)的工作過程,不利于讀者理解電路的整個(gè)工作過程和升壓原理。本文采用PSpice仿真分析方法,直觀、詳細(xì)的描述了BOOST電路由啟動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程,并對(duì)其中各種現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)致深入的分析,便于讀者真正掌握BOOST電路的工作特性。

  圖1 BOOST 電路的結(jié)構(gòu)

  2 電路的工作狀態(tài)

  BOOST 電路的工作模式分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。其中電流連續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2(a)和圖2(b)所示,電流斷續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2(a)、(b)、(c)所示,兩種工作模式的前兩個(gè)工作狀態(tài)相同,電流斷續(xù)型模式比電流連續(xù)型模式多出一個(gè)電感電流為零的工作狀態(tài)。

  圖2 BOOST 電路的工作狀態(tài)

  3 PSpice建模分析

  3.1 PSpice建模

  PSpice是一種功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真軟件,它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真并給出波形輸出和數(shù)據(jù)輸出,無論對(duì)哪種器件和哪種電路進(jìn)行仿真,均可以得到精確的仿真結(jié)果。本文應(yīng)用基于PSpice的OrCAD9.2軟件對(duì)BOOST電路建模,模型如圖3所示,其中采用N 溝道的MOS管IRF640作為開關(guān)管,并用一個(gè)工作頻率為40K 占空比為40% 的脈沖源VG控制MOS管的通斷來仿真圖2中開關(guān)S的通斷過程,Rs為電源內(nèi)阻,RJ為MOS管柵極限流電阻,其它部分與圖1相對(duì)應(yīng)。

  圖3 BOOST 電路的PSpice模型

3.2 電路瞬態(tài)過程分析

  用Pspice對(duì)圖3模型進(jìn)行瞬態(tài)分析,首先對(duì)電路啟動(dòng)過程中O~60us時(shí)間段進(jìn)行掃描,對(duì)應(yīng)的開關(guān)管S點(diǎn)電壓Vs的波形、輸出電壓Vo的波形、電感上的功率PL的波形、電感電壓VL的波形、電感電流IL的波形如圖4所示?,F(xiàn)分析其工作過程如下:

  圖4 瞬態(tài)電路相應(yīng)信號(hào)仿真波形

  0~5us時(shí)段:開關(guān)處于斷開狀態(tài),直流電源通過電感L、二極管D向負(fù)載供電,電路處于穩(wěn)態(tài)。由于電感對(duì)于直流相當(dāng)于短路,所以s點(diǎn)電壓Vs等于電源電壓減去其內(nèi)阻電壓,為14.7V。流過電感的電流為1.3A。

  5us~16us時(shí)段:開關(guān)于5us~6us之間閉合,并保持閉合狀態(tài)直到16us,電路處于圖2(a)狀態(tài)。由于電路開關(guān)狀態(tài)發(fā)生突變,電路進(jìn)入暫態(tài)。由于開關(guān)閉合,Vs降為0,電感兩端產(chǎn)生壓降,電感電流開始增長(zhǎng),電感開始儲(chǔ)存能量;此時(shí)二極管D處于斷態(tài),輸出端由電容c向負(fù)載RL提供能量,因此可以明顯的觀察到,電容上的輸出電壓Vc 在下降,這意味著電容在釋放剛剛靜態(tài)時(shí)儲(chǔ)存的能量。

  3.3 電路穩(wěn)定過程的分析

  觀察圖4電感上的功率PL波形,因?yàn)镻L為正表示電感吸收能量,PL為負(fù)表示電感釋放能量,PL波形曲線與時(shí)間軸所圍面積既是相應(yīng)時(shí)間內(nèi)電感傳遞能量的大小。不難看出電路工作的前兩個(gè)周期中,電感儲(chǔ)存的能量大于釋放的能量。第二個(gè)周期開始時(shí),電感電流在第一個(gè)周期的基礎(chǔ)上增長(zhǎng),進(jìn)一步儲(chǔ)存能量,在開關(guān)斷開時(shí),電感釋放出更大能量,以更高的Vs向負(fù)載提供更高的輸出電壓,圖4中第二周期電感電壓的負(fù)電壓幅值大于第一周期也恰恰說明了這一點(diǎn)。但是應(yīng)該注意到,電感上負(fù)電壓的幅值又與電感電流下降的斜率成正比,隨著電路的工作,每個(gè)周期電感提供的負(fù)電壓越來越大,電感電流下降斜率也隨之增加,直到在單個(gè)工作周期末尾,電感電流值下降到此工作周期開始時(shí)的電感電流值,此時(shí)電感吸收的能量等于其釋放的能量,電感不再進(jìn)一步儲(chǔ)能。開關(guān)斷開時(shí)電感提供的負(fù)電壓不會(huì)再增加,電感電流下降的斜率也不會(huì)再增加,電感進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

  與電感類似,輸出電容也存在著由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程,用與電感采用相似的能量方法也可得到,電路剛剛開始工作時(shí)電容的充電能量大于放電能量,每個(gè)周期,電容除了在開關(guān)閉合時(shí)給負(fù)載提供能量外,自己還在存儲(chǔ)能量,所以輸出電壓越來越高。隨著電壓的升高,開關(guān)閉合時(shí),電容的放電電流越來越大,直到一個(gè)周期內(nèi),電容的充電能量等于電容的放電能量時(shí),電容進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),輸出電壓穩(wěn)定。

  用PSpice對(duì)BOOST 電路模型進(jìn)行0~2.5ms瞬態(tài)分析,輸出電壓Vo和電感電流IL的波形如圖5所示,易見,電路輸出電壓,電感電流在1.4ms左右趨于穩(wěn)定,電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。值得注意的是電感電流在前1ms內(nèi)形成了一個(gè)峰值,這是由于前1ms內(nèi),電感和輸出電容上的能量不斷增加導(dǎo)致的,它反映了電感和電容由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)器件自身的能量存儲(chǔ)的過程。

3.4 電路穩(wěn)態(tài)分析

  對(duì)1.4ms~1.46ms時(shí)段進(jìn)行掃描分析,與圖4對(duì)應(yīng)的輸出波形如圖6所示,電路的工作過程與圖4類似,只是此刻電感、電容均已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),每個(gè)工作周期電感提供相同大小的負(fù)壓,電感電流下降的斜率一定,電感吸收的能量等于釋放的能量,電容充電能量等于放電能量,電感、電容不再吸收能量而成為能量傳遞的工具。

  3.5 電流斷續(xù)模式工作過程的分析

  當(dāng)電感較小,或負(fù)載電阻較大,或電路工作周期較長(zhǎng)時(shí),BOOST 電路進(jìn)入電流斷續(xù)工作模式?,F(xiàn)將圖3中的負(fù)載電阻換為150Ω,經(jīng)仿真分析,發(fā)現(xiàn)電路已經(jīng)工作于電流斷續(xù)模式。由仿真發(fā)現(xiàn),電路瞬態(tài)過程與電流連續(xù)型完全相同,故在此不對(duì)電路的瞬態(tài)過程再做說明?,F(xiàn)取電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的60ms~60.06ms進(jìn)行掃描分析,與圖6對(duì)應(yīng)的輸出波形見圖7所示。對(duì)比圖6和圖7 不難發(fā)現(xiàn),電流斷續(xù)型電路在經(jīng)歷了和圖6類似的圖2(a)和圖2(b)兩個(gè)狀態(tài)后,在60.024ms~60.03ms時(shí)間段處于圖2(c)狀態(tài),由輸出波形可見,此時(shí)電感電流減小到0,電感電壓的平均值亦為0,S點(diǎn)的電壓平均值為電源供電電壓15V,由于s點(diǎn)電壓Vs小于電路輸出電壓Vo故二極管D截止,負(fù)載所需能量由輸出電容提供。

  4 結(jié)束語

  PSpice是當(dāng)今世界最流行的電路分析軟件之一,其仿真結(jié)果非常接近實(shí)際電路分析和設(shè)計(jì)環(huán)境。本文采用PSpice仿真分析方法,對(duì)BOOST 電路的工作過程和升壓原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并從能量傳遞的角度進(jìn)分析了電感、電容等儲(chǔ)能元件由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的工作過程,并且給出了直觀易懂的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證分析的正確性。對(duì)深入理解BOOST 電路有極大的促進(jìn)作用。

  16us~30us時(shí)段:開關(guān)于16us~ 17us之間斷開,并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)直到30us,電路處于圖2(b)狀態(tài)。電路開關(guān)狀態(tài)再次發(fā)生突變,電路仍處在暫態(tài)中。由于電感的電流連續(xù)特性,線圈L 中的磁場(chǎng)將改變線圈L兩端的極性,以保持IL不變,因此圖4中VL在這一時(shí)段出現(xiàn)負(fù)電壓,此電壓是由線圈L的磁能轉(zhuǎn)化成的,它與電源VI串聯(lián),以高于VI 的電壓向電路的后級(jí)供電,使電路產(chǎn)生了升壓作用。此時(shí),電感向后級(jí)電路釋放能量,電感電流不斷減小,電感電流通過二極管到達(dá)輸出端后,一部分給輸出提供能量,一部分給電容充電,可以觀察到,電容上的電壓在上升,電容開始儲(chǔ)存能量。

  電路在5us~30us時(shí)段之間的工作過程是BOOST 電路的第一個(gè)工作周期,此后電路重復(fù)上述過程繼續(xù)工作。

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