筆記本供電無障礙Boost升壓電路設(shè)計詳解

Boost拓撲結(jié)構(gòu)一直是幾款既經(jīng)典又基本的基礎(chǔ)電路之一，它被運用在非常多的供電設(shè)備中。本文中講解了學(xué)習(xí)、拆解、重組的Boost模塊都是運用了UC3843的控制芯片，這款芯片是專門為設(shè)計低壓電路所準備的。在以下的講解過程中，針對Boost升壓電路設(shè)計及計算過程做出了詳細的講解。

下圖為2塊boost模塊，第一步就是得到兩個模塊的電路圖，最直接的方法就是用萬用表一根根的測量，類似“抄板”工作，但適用于初學(xué)者。

圖1 兩塊成品升壓模塊

上圖的模塊主電路基本一致，都是典型Boost升壓電路，它們使用MOSFET作為開關(guān)器件；控制芯片也一致為UC3843，是電流型PWM控制芯片，經(jīng)過插接它們的芯片外圍電路和參數(shù)略有不同。網(wǎng)上對UC3843系列芯片使用講述得并不透徹，要想了解的更透徹惟有學(xué)習(xí)其官方文件，但UC3843的PDF版本也很多，能夠找到的最好版本是UC3843(Rev. 15)，另外一個UC3843A作為補充。

圖2 UC3843系統(tǒng)圖

首先，設(shè)置PWM最大占空比和頻率。PWM脈沖由RT和CT諧振產(chǎn)生，設(shè)計RT和CT參數(shù)時，先設(shè)計最大占空比確定RT，再通過頻率確定CT的數(shù)值。PDF中講述了，PWM波形的最大占空比僅由RT函數(shù)確定，為了保護電路可以通過限制最大占空比來實現(xiàn)，（比如Boost電路中設(shè)置最大占空比為50%，那么輸出電壓最大值就不可能超過輸入電壓的50%）公式如下所示：

公式中已知量VRT/CT(valley)= 1.2V，VRT/CT(peak)= 2.8V，Vref= 5V，Idischg= 8.3mA，RT為諧振電阻。以Boost電路為例，為防止輸出電壓過高，我要求Dmax<70%，于是電阻就選擇了比較常見的RT=1KΩ，Dmax=64.2%。

表1 RT與Dmax關(guān)系表

選擇電阻后再根據(jù)PDF文件中提供的頻率圖選擇電阻，比如希望PWM適當高些大于50KHz，可以減小電感量，那么找到0.8上的第二根水平線與50K豎直線的交叉處，估算到CT應(yīng)該大于10nF，估計在15nF以上，看看自己的貼片電容情況，挑選比較接近的22nF的電容，CT=22nF。

圖3 頻率設(shè)置曲線圖估算完畢后，可以依據(jù)公式核算(PDF上有說明的計算一般都有10%的誤差，原因是電阻和電容的標稱值都有1%~5%的誤差以及溫度影響)。

計算值53.4KHz，實際值53.7KHz，比較準確了。

然后，進行電壓反饋環(huán)節(jié)設(shè)計。就采用最基本的方案，2腳電壓反饋輸入，1腳電壓反饋補償輸入，如圖4所示。

圖4 電壓反饋環(huán)節(jié)設(shè)計

2腳的參考電壓是2.5V，Rf要求大于8.8K，頻率不是特別高，反饋也不是要求響應(yīng)特別快，因此選用大家用得多的參數(shù)Rf=100K，Cf=100pF。調(diào)節(jié)Ri和Rd的數(shù)值，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓了，計算公式是：

VO=2.5*(Rd+Ri)/Rd

最后，進行電流反饋環(huán)節(jié)設(shè)計。

圖5 電流反饋環(huán)節(jié)設(shè)計

3腳是電流反饋輸入，參考電壓值是1V(超過1V時響應(yīng)，減小PWM占空比)限流靠設(shè)計RS的值，設(shè)計時由于沒有合適的電阻（要同時考慮阻值和功率），只能將就選擇0.05Ω/2W的電阻串上一個保險絲來代替（估計在平均電流小時應(yīng)該有0.07歐左右，平均電流大時應(yīng)該有0.15歐電阻，這樣可以限制電流6.5A以內(nèi)）。R的值比較隨意，一般就是常見的1K和10K都行，但是C的值就不能太大了，不然電流反饋的延時就太大了，很容易造成過流時間太長PWM芯片才有響應(yīng)的問題，而選擇太小了就容易受到尖峰的干擾，選擇電阻1K，電容200pF，在54KHz的頻率下對電流限制還不錯。

關(guān)于主電路參數(shù)設(shè)計

圖6 Boost電路結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，主電路參數(shù)設(shè)置如下：

1、Vin工作電壓 12~18V

2、Vout工作電壓 20.5V

3、電感 100mH，6A工作電路

在設(shè)計參數(shù)時，最重要的是開關(guān)頻率和電感平均電流，給大家一個用Matlab-simulink搭建的簡易開環(huán)Boost模型，可以自己設(shè)置參數(shù)波形是否合理。以上使用的模型是開環(huán)的，啟動時沖擊電流很大，可以不管，因為UC3843中電流反饋可以實現(xiàn)軟起動，只要注意看穩(wěn)態(tài)時電感上的平均電流就可以了，電感電流選擇上最好留50%的余量。電路原理圖如下：

圖7 基于UC3843的Boost升壓電路原理圖

解釋：

1、R7、R10、R9構(gòu)成輸出電壓反饋環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)R10就能改變輸出電壓了。這里電阻R9設(shè)置為7K是為了防止電壓升得太高，如果需要的電壓較高就的適當減少R9。

Vmax=2.5*(7K+51K)/7K=20.7 V

Vmin=2.5*(10K+7K+51K)/(10K+7K)=10 V

2、電阻R4，保護MOSFET，防止源極開路。

3、二極管D2一定要用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管，最好能裝散熱片的。

4、輸入輸出兩端的支撐電容當然越大越好，不過當參數(shù)下到1000uF時，輸出已經(jīng)非常好了，特別提醒：電容是有耐壓值的，如果要輸出30V，卻用25V耐用電容，通電時間稍微長點就會爆電容。

圖8 實物展示

經(jīng)過模仿研究及再實踐可以看出UC3843是一款不錯的PWM芯片，有兩個反饋環(huán)，電壓環(huán)精確穩(wěn)壓，電流反饋可以限流保護，比單獨用單片機成本低，可靠性高，同時不占用單片機資源。使用的基本是UC3843最精簡的外圍結(jié)構(gòu)，適合初學(xué)者入手制作。如果后續(xù)配上高頻變壓器，使用的方式就更加豐富了。市面上還有款芯片TL494可以代替UC3843，功能差不多。