Jeul CCC: Boost Chopper

2021年1月3日星期日

Boost 是一種直流升壓電路

典型電路是直流電源連到電感，然後並接固態開關切換元件，再透過二極體並接電容提供負載。開關切換元件可以是 IGBT 或 MOS，由 PWM 訊號控制開關，導通時對電感儲能。此時負載由二極體隔絕的電容提供。斷路時，電源加上電感電壓對電容及負載供電。PWM

ON：電感電壓為 V_in = L ∙ di_L/dt = L ∙ ∆i_L/DT，電感電流增加 (∆i_L)_ON = V_in ∙ DT/L。

T 是 PWM 週期，D 是 Duty Cycle。V_in 不變下，電感電流經過時間 DT 增加 ∆i_L。

OFF：電感電壓為 V_in - V_out = L ∙ di_L/dt = L ∙ ∆i_L/(1 - D)T，電感電流增加 (∆i_L)_OFF = (V_in - V_out) ∙ (1 - D)T/L。

假設 V_out 要維持不變，電感電流經過時間 (1 - D)T 增加 ∆i_L。

假設每個周期電感電流的淨變化是 0 = (∆i_L)_ON + (∆i_L)_OFF = V_in ∙ DT/L + (V_in - V_out) ∙ (1 - D)T/L

V_out/V_in = 1/(1 - D)

∆i_L 造成輸出電壓波動，電感越大或頻率越高可減少。較大的 L 較昂貴。

二極體使用 Schottky 較好。可用 ultra fast 二極體，但高 forward voltage drop 造成低效率。避免使用 slow recovery characteristics 的 Ordinary rectifiers。

PWM 隨負載需要調整佔空比 (Duty Cycle)。由於頻率一定，可預測即將產生之開關雜訊、濾波處理容易等優點。但也由於頻率一定，輕負載時的開關次數不變，內部開關損失不變，效率降低。

PFM (脈衝頻率調變) 以固定 ON 時間型為例，ON 時間一定而隨負載需要調整 OFF 時間。也就是重負載時頻率會變高，輕負載時頻率會變低。輕負載時開關次數減少，開關損失減少，可維持高效率。但因頻率變化，雜訊不穩定而難以消除濾波。當頻率超過 20kHz 時進入人耳聽覺範圍，可能會產生鳴音。

一般 IC 主要是比對輸出電壓產生 PWM/PFM，並可能內建固態開關或二極體，通常需要外接電感和電容。

應用

晶片

微盟 ME2108：輸入電壓 0.9V~6.5V，輸出電壓 2.0V~7.0V (固定) ±2.5%，輸出電流 3.0V 升壓到 5.0V 時 400mA，啟動電壓 ≤0.9V(at Iout=1mA)，PFM 最大頻率 180KHz，效率 85%
TI TPS61200：輸入 0.3 ~ 5.5V，輸出 1.8~ 5.5V (TPS61201 輸出 3.3V，TPS61202 輸出 5V)。

參考

Jeul CCC