低功耗Boost型DC/DC变换器

李学敏，廖无限，任于涵

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

低功耗Boost型DC/DC变换器

李学敏，廖无限，任于涵

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

分析Boost和同步整流开关电源电路的工作原理，设计Boost电路的主要参数及控制回路，最后测试了基于LM5121的低功耗Boost型DC/DC变换器样机，其输出电压为48 V，输出功率为100 W。测试结果表明：样机输出电压稳定，整机效率高达88%，它是一种经济适用的低功耗小型开关电源。

低功耗；Boost；开关电源；同步整流；LM5121

0 引言

开关电源具有体积小、轻量化和高效率等特点，被广泛应用于通信、航空航天、医疗等领域[1-3]。DC/DC变换器是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的开关电源[4]。整流器件的开关损耗及导通损耗是开关电源功率损耗的重要因素[5]。传统的整流器件一般采用肖特基二极管（Schottky barrier diode，SBD）。由于受材料物理特性和制造技术水平的限制，肖特基二极管的正向导通压降比较高（甚至达到1 V）和导通阻抗高，这导致了开关电源的功率损耗大，效率不高。因此，传统整流器件已经不能满足更低电压、更大电流、高效率的要求。为了提高开关电源效率、降低损耗，同步整流技术成为研究热点[6-9]。同步整流是将场效应管（MOSFET）取代整流二极管，以降低整流损耗的一项新技术。MOSFET的正向导通压降可以达到0.006 V左右，导通电阻也可以降到毫欧级（m）以下。

因此，本文采用同步整流技术设计了一种低功耗Boost型DC/DC变换器。该变换器降低了功率损耗，提高了转换效率。

1 Boost型变换器

Boost型变换器的电路图如图1所示。Boost电路拓扑包含输入直流电源Ui、输入滤波电感L、开关管Q、二极管D、输出滤波电容C和负载R[10]。当开关管Q导通时，二极管D反偏，处于截止状态，此时输入电源Ui给滤波电感L储能（或励磁），负载能量由输出滤波电容C提供；当开关管Q截止时，二极管D正偏，处于导通状态，此时电感电流经二极管续流，输入电源Ui和滤波电感L共同向负载提供能量的同时，补充输出滤波电容在前一间隔所损失的能量。输出滤波电容的作用有2个方面：1）开关管Q导通时，给负载提供能量；2）滤除输出电压的纹波分量，使输出电压平稳。二极管D起到换流跟续流的作用。

图1 Boost型变换器电路Fig. 1 Diagram of Boost converter circuit

2 Boost型同步整流变换器

2.1 主电路工作原理

本文所设计的Boost型同步整流变换器如图2所示。该变换器包括输入直流电源Ui、输入滤波电感L、开关管Q1和Q2、输出滤波电容C和负载R。滤波电感L工作在CCM模式。

图2 Boost型同步整流变换器Fig. 2 Diagram of the Boost synchronous rectifier converter

电感L的临界值由式（1）决定[12]，

式中：Uo为输出电压；Ui为输入电压；Io为输出电流；T为周期；D为电路PWM信号的占空比，即

由式（2）也可以推导出输出电压的公式，即

由式（3）可知，输出电压由PWM占空比决定。在Boost电路中，占空比D小于1，可知，输出电压高于输入电压，Boost电路也称升压电路[13]。

2.2 主电路工作过程分析

主电路的稳态原理波形图如图3所示[11]。

图3 CCM模式下主电路稳态时原理波形图Fig. 3 Oscillogram of the principles governing the steady main circuit under CCM mode

图3 中，g1, g2是开关管Q1和Q2的栅极驱动信号，IL是电感L的电流信号，IQ1，IQ2是开关管Q1和Q2的电流信号，Uo是负载的输出电压，Ton是主开关管Q1在一个周期内的导通时间，Toff是主开关管Q1在一个周期内的截止时间，T是Ton与Toff之和，即t0～t2。

t0之前，假设电感L没有储能，开关管Q1, Q2为不导通状态。

t0～t1为一个周期T内的开关导通时间Ton，开关管Q1导通，开关管Q2截止。输入电源Ui给滤波电感L储能（或励磁）。电感中的电流IL和开关管Q1的电流IQ1都呈线性增长。负载能量由输出滤波电容C提供，只要电容足够大，输出电压Uo的变化会很小，近似恒定值。

t1～ t2为一个周期T内的开关截止时间Toff，开关管Q1截止，开关管Q2导通。电感电流经开关管Q2续流。输入电源Ui和滤波电感L共同向负载提供能量，同时补充输出滤波电容C在前一间隔所损失的能量。电感中的电流IL和开关管Q1的电流IQ1都呈线性减小。

3 驱动电路

3.1 控制芯片LM5121的简介

考虑低功耗Boost型DC/DC变换器的结构和性能，本文选用了一款同步升压专业芯片LM5121作为电路的核心控制器。LM5121是TI公司设计的一款针对高效率、高功率升压稳压器应用的同步升压控制器，其开关频率最高可编程至1 MHz。通过将2个耐用的N通道MOSFET栅极驱动器与自适应死区控制搭配使用实现同步控制。用户还可选二极管仿真模式实现断续模式运行，从而提高轻负载条件下的效率[14]。

LM5121最小输入电压为3.0 V（启动时为4.5 V），最大输入电压为65 V，输出电压高达100 V。其主要应用于12, 24, 48 V电压等级的电源系统，例如汽车车用电源、高电流升压电源、电池供电系统等。该芯片的内部结构如图4所示。引脚1～20的定义详见文献[14]，EP为芯片封装的裸露焊盘，没有内部电气连接，应焊接到大地以减小热阻。

图4 LM5121的内部结构图Fig. 4 Diagram of the internal structure of LM5121

3.2 驱动电路设计

LM5121作为DC/DC变换器整个电路的核心，通过控制PWM信号的输出来调整电路输出电压，引脚16 LO和引脚19 HO输出PWM驱动信号。DC/DC变换器的主电路和芯片的外围电路设计见图5，该电路包含输入滤波电路、欠压保护电路、控制电路、反馈电路、输出滤波电路。具体设计方法详见文献[14]。

图5 电路原理图Fig. 5 Schematic diagram of the circuit

DC/DC变换器基本参数为：开关频率fs=50 kHz，主电路输入电压（INPUT）Ui=12 V，额定输出电压（OUTPUT）Uo=48 V，输出最大电流Io=6 A。主要器件的参数见表1，表中参数名称详见图5。

表1 主要器件参数设计表Table 1 The designed parameter table

4 实验结果与分析

根据上述Boost型同步整流变换器的工作原理和参数设计，研制了一款12 V/48 V实验样机。样机实物如图6所示。

图6 Boost型同步变换器样机Fig. 6 A physical map of Boost synchronous rectifier converter

开关管工作频率为50 kHz，电路占空比为0.7。开关管Q1的驱动波形如图7所示。从图可知，驱动电压为8 V，波形基本正常，开关管Q1正常工作。

图7 开关管Q1驱动波形Fig. 7 Driving waveform of switch Q1

DC/DC变换器中开关管Q2的驱动波形如图8所示。从图中可知，驱动电压为8 V。当开关管Q1导通时，开关管Q2关断；当开关管Q1关断时，开关管Q2导通，2个开关管相互交错导通。开关管Q2实现了传统整流二极管的续流作用，这也说明本设计符合同步整流技术要求。

图8 开关管Q2驱动波形Fig. 8 Driving waveform of switch Q2

DC/DC变换器样机的输出电压波形如图9所示。从图可知，样机的输出电压为48 V，输出电压波形基本是一条平滑的直线，这表明电路设计基本符合预期效果。

图9 样机输出电压波形Fig. 9 Waveform of the prototype output voltage

经测试，当输入电压Ui=12 V时，样机处于满载状态，输入电流Ii=8.33 A，可得：输入功率Pi=UiIi= 99.96 W，输出功率Po=UoIo=87.66 W，整机效率 =Po/Pi≈0.88，因此，该值满足设计要求。

5 结语

本文设计了一款基于同步整流PWM控制芯片LM5121的低功耗Boost型DC/DC变换器。文中详细分析了其电路原理，并且给出较为详尽的设计步骤。测试结果表明：样机输出直流电压稳定，电压纹波较小，满载效率高，满足设计要求。由此可见，采用功率MOSFET代替传统整流二极管的同步整流技术，可减少开关电源的功率损耗，提高转换效率，具有良好的推广价值。

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（责任编辑：邓 彬）

Boost DC/DC Converters with Low Power Consumption

LI Xuemin，LIAO Wuxian，REN Yuhan
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

An analysis has been made of the operating principle of Boost and synchronous rectifier switch power supply circuit, and a design has been proposed for the main parameters and control circuit of Boost circuit, followed by the test of a low-power-consumption DC/DC Boost converter prototype based on LM5121, with 48 V its output voltage and 100 W its output power. Testing results substantiate the stable output voltage of the prototype, with an overall efficiency as high as 88%, thus proving it to be an economical and applicable switching power supply with low power consumption.

low power consumption；Boost；switch power supply；synchronous rectification；LM5121

TM46

A

1673-9833(2016)05-0027-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.006

2016-07-09

湖南省教育厅科研基金资助项目（15C0393）

李学敏（1989-），男，湖南郴州人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为电力电子与电力传动，E-mail：894697139@qq.com