DC-DC Boost转换器电路设计方法

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DC-DC Boost转换器电路设计方法

在本文中,我们将设计一个DC-DC升压转换器电路,在该电路我们可以使用按钮手动控制该电路。


DC-DC升压转换器电路是可以将DC电压转换为更大的DC电压的电路。比如我们可以将5V直流电压转换为30V。


DC-DC转换器主要基于电感器和电容器的原理工作。当馈送直流电时,电感器充当电流的能量存储设备。只要提供直流电源,它就会在线圈中建立电流,并在其周围产生磁场。当直流电源关闭时,磁场消失,电感器充电的所有电流都流到电容器中。随着直流电源在电路中的开启和关闭(我们将通过按钮开关执行此操作),电感器会存储更多电流,并且电流每次都会流入到电容器中。这就是为什么每次执行此操作时电容器两端的电压都会增加到峰值的原因。


输出增加的电压量取决于许多因素,包括电感器的值,电容器的最大电压存储,开关速度和电路的DC输入电压。


我们不会在电路中上深入探讨每种关系,而是将显示此变量与电压增加量之间的关系。


在此电路我们可以使用按钮手动控制该电路,在更高级的实际电路中,您将使用晶体管代替手动开关,因为这样可以提供更高的精度和对电路的控制。与手动控制不同,晶体管可以以微秒为单位更快地打开和关闭,并提供更高的精度。微控制器将控制晶体管,并且可以对其进行编码以按设定的时间间隔打开和关闭晶体管。在这种控制下,能够被精确地计算输出电压,并且可以写入相应的代码,使得这些直流电压突发在期望的时间发生。


但是,对于该电路,我们只是演示了DC-DC升压转换器的工作原理,而使用按钮将可以很好地完成该电路的工作。


所需组件


一千欧电阻,二极管,按钮开关,100mH电感器,10F电解电容。


在此电路中,我们将使用一个100mH的电感器。随着电感的增加,输出电压也增大,因为电感越大,它可以存储的能量越多。因此,如果将电感器换成较低的值,它将能够产生较少的输出电压。如果将电感器换成更高的值,它将可以输出更高的电压。因此,您可以使用电感值来了解它如何影响输出电压。如果使用较高的电感,则由于电感的阻值较大,因此会阻止电流流过,因此充电过程可能会花费更长的时间,但最终会产生较高的电压输出。


电解电容器的额定电压约为50V或更高。额定值越高越好,因为它将能够处理的电压越高。电容器两端的电压超过其额定电压,可能会发生爆炸。由于升压转换器电路可以产生极高的电压,要想获得尽可能高的额定值,至少要远远超过电容器常见的25V额定值。


为什么我们不使用皮法或毫微法拉电容器,而是至少使用1微法拉。由于电感器消耗大量电流,因此我们希望电容器具有足够的电容来存储此电荷。


二极管实际上可以使用任何二极管。我们之所以使用1N4001二极管,因为它是一种常见的二极管,它两端使用的压降约为0.7V,尽管它不是最佳选择。但是要考虑到,无论使用哪种二极管,都会在二极管两端产生压降。理想情况下,使用压降较低的二极管,以尽可能减少功耗。这将适用于现实生活中的情况,在这些情况下,您需要尽可能高的电压输出效率。但是,对于该电路,您可能并不在意二极管两端的损失低于1V。但是,正如您所想的那样,二极管将消耗一些输出电压和电流。


该电路中使用二极管来充当电阻,以便在按下按钮时,所有电流都从电感器流到地,从而造成短路。这样一来,此时仅电感器即可充电。当释放按钮时,在按钮结处会形成开路,以便所有电流随后通过二极管放电并流向电容器。


该电路实际上并不需要电阻,它只是充当电路的负载。如果您有需要上电的负载,则可以为其更换电阻器。由于电阻与电容器并联,电阻两端的电压与电容器两端的电压相同,因为并联电压相等。


升压转换器电路


升压转换器电路如下所示。

DC-DC Boost转换器电路设计方法


我们有5V的电源作为该电路的直流电源。


如果现在要测量电阻两端的电压,约为4.3V,比二极管提供的5V电压要低一点。


现在要增加输出电压,我们按几次按钮。


当按下按钮时,所有电流都流过电感器,然后流到地,基本上造成了电感器的短路。电感器不喜欢长时间单独通过它的大量电流,可能会损坏电感。这就是为什么要按下按钮然后立即松开。这样可以使电流在电感器中的分布均匀,并释放到电容器中。


因此,再次按下按钮几次,即可为电容器逐渐充电。由于电容器是呈对数增加的方式充电的,因此您会看到电压随时间呈对数增加的趋势。


继续按下按钮时,您会看到它开始在20V以上达到峰值。


该电路的工作原理是,当您按下按钮时,会产生电流流经电感器,并通过按钮向下流到地面。此时,所有电流都流经电感器到达地线,即最低的电阻路径,这会给电感器充电,电感器充当电流的能量存储设备。电感越大,它可以存储的能量就越多。


释放按钮后,按钮处的结点将变为开路,因此不再有电流流过该结点。电感器会释放积聚在其上的所有电流,并将其通过二极管流至电容器,从而给电容器充电,这是电容器两端的电压开始累积的时候。随着我们不断按下和释放按钮,电荷会继续增加,从而进一步增加电压。直到电压达到峰值为止。


电压峰值由许多因素决定,包括输入电压,电感器的电感,所用二极管的类型,电容器的电容以及电容器的额定电压。为了增加电压输出,我们必须增加列出的每个因数,二极管两端的压降除外,我们希望该压降应尽可能低。


在实际的电路中,我们希望诸如脉宽调制信号之类的脉冲进入电感器。这是具有一定占空比的方波,它以一定的时间间隔打开和关闭。如果要为现实的工业用途构建该电路,我们将不会使用手动控制,而是会设置一个电路来向其传递脉宽调制信号。这将允许电感器进行充电和放电,而电感器不会接收到太多被破坏的电流。因此,这说明了我们为什么要按下它并在不到一秒钟的时间内释放按钮以模仿方波的关键所在。同样,在现实生活中,该电路不是由按钮手动控制,而是由晶体管去控制。


我们可以对此电路进行多种改变,以在电压输出方面产生巨大的差异。


我们可以对电路进行最大的改动以在输出端产生不同的结果,就是用另一个组件替换电感器。


电感器可以用继电器线圈代替,这将使电感器上的电压升高一点。


电感器也可以用升压变压器代替。如果使用初级线圈,则可以将电压升高到60VDC以上。如果使用变压器的次级线圈,则可以将电压升高到120VDC以上。次级线圈是较大的线圈,具有较大的电感,从而允许在输出端增加电压。要知道,当使用升压变压器而不是电感器时,电容器的额定电压应为200V或更高。如果小于此值,则电容器可能会被破坏,因为这是非常高的电压。


以上就是建立直流升压转换器电路的方式。


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