Аннотация
В этой статье будут объяснены ограничения, присущие повышающей топологии, и способы их преодоления. При проектировании и оценке повышающих преобразователей желаемое выходное напряжение иногда получить не удается. Вместо этого напряжение оказывается ниже, чем хотелось бы.
Введение
Повышающие преобразователи используются для получения высокого выходного напряжения из низкого входного напряжения. Такое преобразование напряжения может быть легко выполнено с помощью импульсного регулятора с повышающей топологией. Однако коэффициент усиления по напряжению имеет естественный предел. Коэффициент усиления по напряжению – это отношение выходного напряжения к входному. Если напряжение 24 В вырабатывается из 12 В, усиление по напряжению равно 2.
В качестве примера рассмотрим промышленное приложение, в котором напряжение 300 В должно быть получено при выходном токе 160 мА из входного напряжения 24 В (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Схема повышающего преобразователя. |
Коэффициент усиления по напряжению можно выразить через коэффициент заполнения D:
 |
(1) |
Основными параметрами повышающего преобразователя являются коэффициент заполнения и коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент заполнения является показателем того, сколько времени переключатель S находится во включенном состоянии в каждом цикле преобразования. Коэффициент усиления по напряжению показывает, во сколько раз выходное напряжение превышает входное.
Чтобы получить высокое напряжение, коэффициент заполнения увеличивается до значений, близких к 1, но никогда не достигает 1.
Если выбрать повышающий преобразователь с большим максимальным коэффициентом заполнения, то может показаться, что можно получить высокое выходное напряжение при низком напряжении питания. Однако это еще не все. Помимо ограничений коэффициента заполнения, необходимо также учитывать максимально возможный коэффициент усиления напряжения.
Усиление по напряжению характеризует максимально возможное выходное напряжение повышающего преобразователя по отношению к доступному входному напряжению. Это ограничение повышающего преобразователя можно представить следующим образом: при повышении вся энергия, передаваемая от входной стороны к выходной, сначала должна быть временно сохранена. Во время включенного состояния, то есть когда переключатель S на Рисунке 1 замкнут, энергия временно сохраняется в дросселе L. В это время диод D на Рисунке 1 блокирует прохождение тока.
Во время выключенного состояния временно накопленная энергия забирается из дросселя L. И заряд, и разряд дросселя должны подчиняться правилам индуктивности. Ток в каждом случае определяется значением индуктивности дросселя и соответствующей разностью напряжений на выводах дросселя. Напряжение на дросселе можно описать просто как VIN во время заряда и VOUT минус VIN во время выключенного состояния.
При высоком коэффициенте усиления по напряжению времени выключенного состояния может оказаться недостаточно для извлечения временно накопленной энергии из дросселя. Это значит, что упрощенная формула (1), описывающая коэффициент заполнения, не учитывает это ограничение. Формула для максимального коэффициента усиления напряжения может быть получена только в том случае, если также учитывается постоянное сопротивление (DCR) дросселя RL и сопротивление нагрузки RLOAD. См. формулу (2):
 |
(2) |
Таким образом, соотношение между RL и RLOAD влияет на соотношение между возможными входным и выходным напряжениями и, следовательно, на коэффициент усиления по напряжению повышающего преобразователя. Это усиление напряжения можно проиллюстрировать графиком. На Рисунке 2 показан пример с входным напряжением 24 В и выходным напряжением 300 В при токе 160 мА для сопротивления нагрузки 1.8 кОм и для DCR, то есть сопротивления RL, равного 3 Ом.
В этом примере из Рисунка 2 видно, что, согласно формуле (2), можно достичь коэффициента усиления по напряжению примерно 12.5. Однако при снижении сопротивления нагрузки, то есть при увеличении выходного тока, или при увеличении DCR (RL) дросселя, то есть при уменьшении его размера, получить требуемое усиление по напряжению будет уже невозможно.
 |
|
| Рисунок 2. | Возможное усиление по напряжению, когда сопротивление нагрузки в 600 раз больше DCR (RL) дросселя. |
На Рисунке 3 показана зависимость усиления по напряжению от коэффициента заполнения при соотношении сопротивлений нагрузки и дросселя, равном 300. Сопротивление RL здесь было выбрано равным 6 Ом, а сопротивление нагрузки – 1.8 кОм.
 |
|
| Рисунок 3. | Возможное усиление по напряжению, когда сопротивление нагрузки в 300 раз больше DCR дросселя. |
Из Рисунка 3 видно, что максимальный коэффициент усиления по напряжению в этом случае составляет всего 9. Таким образом, преобразование входного напряжения 24 В в 300 В невозможно. Выбранное значение DCR, или сопротивление RL дросселя слишком велико.
В заключение следует отметить, что при проектировании схемы с повышающей топологией всегда необходимо учитывать максимально возможное усиление по напряжению. Примечательно, что оно зависит от сопротивления нагрузки, то есть выходного тока, и от DCR дросселя. Если окажется, что получение требуемого усиления по напряжению невозможно, можно выбрать дроссель большего размера с меньшим DCR.
Купить ADP1621 на РадиоЛоцман.Цены
