手把手教你设计超低压差的BOOST变换器

geren2014

在实际的应用中，电子系统会遇到一些超低压差的BOOST变换器，如基于USB供电的系统，由于考虑到USB线上的压降，会采用一个升压的BOOST变换器，将电压升到5V以上，如5.15V，5.2V或5.25V。通常USB口由于输出负载的影响以及主机USB电源管理功能的差异，其电压会在4.75V到5.1V之间波动，对于从4.5-5.1V的输入升到输出为5.15V的BOOST变换器，当输入为最高的5.1V而输出5.15V时，设计就会有遇到一些问题。在本文中将讨论这种变换器设计的问题，并给出相应的方案，从而为电子工程师提供一些设计的指导。

1 超低压差Boost变换器的设计问题

基本常规的Boost变换器的结构见图1所示,功率MOSFET为主开关管，D 为输出 升压二极管，如果把二级管换为功率MOSFET，则为同步 Boost变换器。

图1：Boost变换器

在开关管导通时，电感激磁，电感电流线性增加存储能量，输出电容提供全部的输出负载电流。

（1）

开关管关断时，电感去磁，电感电流线性降低加，输入电源和电感向输出负载提供能量。

(2)

由(1)、(2)上两式可以得到：

(3)

若Vin= 5.1V，Vo= 5.15V，VF= 0.4V，可以得到：D=8.1%。

电流模式的BOOST变换器，电流检测信号有一定的延时，同时为了消除开通前沿的电流尖峰导致内部信号误动作，电流检测信号通常都设有前沿消隐时间LEB，这也是PWM控制器固定的最小导通时间 [1] ，一般在50-250nS的范围 。

若BOOST变换器的开关频率为1MHz，LEB=100nS，从5.1V升到5.15V的导通时间为=81nS，小于系统的100nS值，这时候，在每个导通的周期，输出电压会冲到很大的值，PWM控制区器将进入跳脉冲的工作状态[2] ，输出电压纹波很大，如果BOOST变换器没有输出过压保护功能或这个功能保护时间慢，输出电压的过冲有可能会损坏后面的芯片。

2 解决方案

由于PWM的最小导通时间是系统固有的值，不可以改变，从公式(3)可以得出：增大占空比或减小开关频率，可以提高在最高输入电压时导通时间Ton，从而使实际的最小Ton的大于系统固有的最小导通时间Ton(min)，这样输出电压就一直处于调节的范围，系统不会进入跳脉冲模式。

如果Boost变换器的开关频率可以从外面来设定，那么就可以调整开关频率。在一些手持式系统中，一般会采用尽可能高的开关频率，以减小相应的电感和输出电容的体积，从而降低系统的体积并降低系统的成本。因此工程师一般不会采用低的开关频率。

同时，目前许多单芯片集成MOSFET 的Boost变换器的开关频率是固定的，以去掉外置的电容和IC的一个管脚。这样一来，开关频率无法从外面进行调整，只有想方法增大占空比。

从公式(3)可以看出，提高VF的值可以增大占空比，那么就可以采用图2的方法，输出串联一个二极管，从而提高最小的 占空比值。

图2：增大BOOST变换器最小占空比

此时，占空比为：。

同样，若 Vin=5.1V，Vo=5.15V，VF=0.4V，可以得到：D=14.3%。串联一个二极管后，占空比从8.1提高到14.3， 导通时间为143 nS，大 于系统的100nS值。 这种方法的缺点是额外的增加一个元件，同时系统效率降低。

3 结论

通过在输出额外的串联一个二极管可以提高系统的最小占空比，避免系统进入跳脉冲的工作状态，产生大的纹波，适合于开关频率固定，超低压差的BOOST变换器。额外串联的二极管降低系统的效率。