设计的BOOST的详细流程（亲手设计的BOOST电路的详细解释）

文章目录
背景
BOOST原理详解
原理图
元件分析
计算过程
电感选择
电容选择
实际设计
需求分析
参数计算
电路基本结构图
电感选择
输出纹波小于1%
输出电阻的选择
开关管的选择
开关管前级电路设计
阻恢复的二极管的选择，其即肖特基二极管
mos管前级的高速开关二极管的选择
24V输入滤波即稳压
设定突然断电情况下，栅源电容的释放回路
前级驱动电路结构图
图腾柱电路
图腾柱电路设计相关
电路图
工作原理
stm32 控制部分
关于更多mosfet 的资料请参考下面的连接
2018 年测试的一些结果
背景
为了准备后面的面试，对之前所设的一款BOOST电路进行详细参数如何计算以及如何确定每一个参数的选择的方案，进行复习，以应对面试过程中的各种问题。

BOOST原理详解
原理图

 

 

元件分析
L::储能电感，指的是电能与磁场能相互转换的能量转换器件; 在MOS开关管闭合的时间里，电感能够把电能转化成磁场能，并加以储存，而MOS断开之后，电感又能够将储存好的磁场能转化成为电场能，并且能够让这个能量在与输入电源电压叠加之后，通过二极管以及电容的滤波，从而得到平滑的

直流电压提供给负载，在这个过程中，电压是输入电源电压和电感的磁场能转换成电能的叠加之后才形成的，也正是因为这样，输出电压才会高于输入电压，完成升压过程。
D: 肖特基二极管，主要作用就是隔离，其在mos管闭合时，其正极电压高于负极电压，形成反偏的戒指状态，此时的电感的储能过程不影响输出回路。

计算过程
开关管导通的时候：

 

 

开关管截止的时候

 

 

工作在CCM的时候 两者相等，得出，输出与输出关系

 

 

电感选择
一个默认的思路：通常设计的电源都认为其工作在连续电流模式下
因此，临界电流Iob

 

 

 

所以可得到出L的计算方案，其对于连续状态下，最小为多少。

电容选择
电容的选择一般基于输出电压纹波所进行计算的。

 

 

如上主要叙述了几个重点的BOOST电路中最常用的参数应该如何计算

实际设计
需求分析
本BOOST升压电路的主要的作用是用于控制一个负离子源腔体内的真空气压的变化。其通过控制腔体的接口的压电阀（控制开口的大小而控制腔体内其体流入的大小，从而控制气压的变化）

压电阀的基本控制资料如下：

 

 

 

根据上面的资料可得，其控制的电压的工作的范围是0-100V，输入的电流的驱动不超过10UA。，继续参考详细的资料可得，对于压电阀的控制，可以通过调整旋钮，进行压电阀的开启电压的控制。

但是它通常都在20-30V，因此，相对较大的输出的电压的变化范围，一般来说，通常情况下，对于DCDC来说，其升压的范围一般不超过5倍，因此，在此处，我选择5倍的输出。 所设计的输出的电压的大小为标准的24V，因此，我们输出的电压的最小为24V，最大为120V。 为了调整我们输出的范围，我们的应当设定可变化的占空比的大小。

1. 电压变化范围24V–100V
2. 电流不超过10ua
3. 闭环控制,采样输出电压大小0-2V

参数计算
仔细考虑下，关于PEV这个东西，其所需求的电压是100V，而其所得到的驱动的电流的大小缺不超过10Ua，可以认为其电阻的大小至少为1Mohms,相对比较大，因此，在此处就不考虑PEV部分的负载

电路基本结构图

 

 

电感选择
临界电流的大小，不能够选择太小，因此，我们首先选择了大功率电阻的输出负载电阻，用于实现对于对电阻的分压以及输出电压的采样，选择电阻的大小为5.1K和100ohms，此时，对于100V的电压的分压，其被压缩到0-2V内，以便STM32的片上的AD进行实际的采样。STM32 设定输出得开关频率得大小为80Khz
输出占空比得变化得范围可以在0-0.76.

因此，我们可以得到输出的负载的电流的大小变化范围
当输出电压为24V时，24/5.2K=4.6mA
当输出电压为100V时，100/5.2K=19.23mA

因此，我们得:

 

 

由于VS 不发生变化，因此，当D为0.5 时，其具有最大值，此时计算得L=8mH

 

 

因此，取了一定得裕度选择10mH得电感。

关

输出纹波小于1%
根据公式：

 

 

我们采用的STM32F03RC系列，其输出的PWM的工作频率，目前设定80KHz.

 

 

当D 取最大得时候，上面得式子中，右侧最大。
带入计算如下，可得C应当至少为0.18uf

 

 

我们可以得出上面得结果，其中电源的数值相对较小，但是，由于我们得开官频率相对较高，所以，以至于我们所取得稳压得电容相对较小。 但是同时考虑到了耐压等各种参数，我们的电容C可以选择更加大一点，此处和可以选择4.7uf
同时，我们也要考虑到，我们输出电容的耐压问题等等，因此此处选择：

 

 

输出电阻的选择
此处，则主要需要考虑的功率的问题：
P=U^2/R = 10000/5200=1.9W, 因此，我们需要选择功率更大的金属膜电阻，

 

 

开关管的选择
主要考虑如下几个因素：
耐压
控制频率
栅极电压
导通电阻（与效率相关）

选择的IRF640N
其耐压可达到400V,能够满足需求：

 

 

其导通电阻仅仅约0.15 ，况且，我们并不需求要求电源的效率。

 

 

IRF的导通时间和关断时间如下：

 

 

 

 

因此，当我们对选择80KHz开关频率来说，无论从哪个方面来说，系统的工作频率都能够满足我们的需求。

开关管前级电路设计
我们驱动电路的电压为15V，我们选择限流电阻为15ohms, 以防止其对于栅极与源极的电容烧坏，因此加入前级的限流电阻，此处选择15ohms，同时也是收到开关频率的确定。

 

 

 

 

 

 

 

 

因此，此时R=1399.3,因此，此时，只要选择R小于1399 即可在规定80KHz的工作频率下，完成充电，同时，因此，我们选择R小于1399ohms。

另外一个算出R的考虑：
由于Ciss 的电容约为1160pf，此时，此时约为1.16nf，如果工作频率约为80Khz,则对于电阻的充电模型来说，其时间常数t = RC = 1.16*15/1000。 如果选择5倍时间常数认为其稳定，则此时，t=0.087us，此时，如果选择5倍的时间常数，此时t为0.4us左右。。。

因此此时，0.4us的时间周期远远大于我们设定的工作频率。

阻恢复的二极管的选择，其即肖特基二极管
肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管

（1）当然主要考虑的式其反向击穿电压能否满足我们输出电压的要求。
（2）同时考虑，导通电流的最大数值
（3）反向恢复时间（后面考虑加上去得）
本电路的输出的电压最大为100V
,本问选择的肖特基二极管为SS2200，查询其手册如下：

 

 

因此，其反向的耐压能够满足需求。同时其正向导通电流的最大值为2A，同样也满足系统的需求

mos管前级的高速开关二极管的选择
此处主要式提供于快速将栅源之间的定容的电荷泄放掉，即当mos管需要关断的时候，因此，为了其的选择，其导通电阻应当尽量的小，同时，同时其具有反向耐压等导通最大电流都能够满足需求。

此处选择IN4148，根据其手册如下：

 

 

综合上面的手册，其反向峰值电压为75V，在放电的时候mosfet 的gs 的电压，理论上，最大不超过15V，因此，选择75V的最大的i电压理论上可行。

24V输入滤波即稳压
在电源的输入部分，为了防止噪声的干扰以及系统的稳压，加入了 低通滤波，同时加入了较大的电容世实现输出电压的稳压。

 

 

设定突然断电情况下，栅源电容的释放回路
R3 用于断电的时候栅极电容具有一定的放电放电回路，以防止下一次上电时候，栅极电容提供了导电沟道，导致Id很大，损坏mos管。
因此选择了10K

前级驱动电路结构图

 

 

图腾柱电路
SS8050 npn

SS8550 pnp
这两个管子分别构成图腾柱电路：

 

 

Qn：N BJT
Qp：P BJT
Qmos：待驱动NMOS
Rb：基极电阻
Cb：加速电容
Rc：集电极电阻
Rg：驱动电阻

（1）Cb 是如何加速电容的？ 因为可以将高频变化的信号不经过Rb,提高驱动频率.
（2）Rb的作用实现Cb的泄放回路.

在下面一个大节实现对图腾柱电路的详细解析

图腾柱电路设计相关
电路图

 

 

工作原理
一般有npn 和pnp 的管子构成，工作原理就是一个导通一个就会关闭，此时实现输出电压的变换，在此处提出如下几个问题：

（1）开关管输出电压的电压范围（之前的测量结果感觉也在15V）
（2）pnp的管子是咋工作的
（3）为什么推挽电路的上面没有接限流电阻
（4) 为什么前级要经过一个共射的
（5）基极的电阻是如何选择的？

回答上面之前提出的几点问题

（1）

（2）pnp的管子，同样遵循发射极正偏，集电极反偏的情况。 那么对于硅管的情况，其导通临界电压是0.5~0.7v， 锗管0.2-0.3

（3） 限流电阻的如果过大，会导致后面的mos管的开通过程变缓慢，影响开通速度。

（4） 提高驱动电压，否则没有办法成功驱动的。

（5) 基极的电阻，主要是限流的作用

stm32 控制部分
PID 闭环部分代码：
（1）考虑了最大占空比和最小占空比的设定
（2） 额外功能，直接关闭管子

 

 

 

上面的代码实现的pid 并不好，只是最简单的一种实现的方式。
最后应当测试初，从24V 上升的到最高的 100V 要多久可以实现？？？
（PID代码相关）

关于更多mosfet 的资料请参考下面的连接
https://zhuanlan.zhihu.com/p/50357150

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2018 年测试的一些结果

 

 

可以才看出，实际的占空比，当后面比较大的时候，电感的发热上升，导致内部短路，容易烧掉电感
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