1 引言
BOOST 電路又稱為升壓型電路,，是一種直流一直流變換電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,。此電路在開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位,，長期以來廣泛的應(yīng)用于各種電源設(shè)備的設(shè)計(jì)中。對它工作過程的理解掌握關(guān)系到對整個(gè)開關(guān)電源領(lǐng)域各種電路工作過程的理解,，然而現(xiàn)有的書本上僅僅給出電路在理想情況下穩(wěn)態(tài)工作過程的分析,，而沒有提及電路從啟動(dòng)到穩(wěn)定之間暫態(tài)的工作過程，不利于讀者理解電路的整個(gè)工作過程和升壓原理,。本文采用PSpice仿真分析方法,，直觀、詳細(xì)的描述了BOOST電路由啟動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程,，并對其中各種現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)致深入的分析,，便于讀者真正掌握BOOST電路的工作特性。
圖1 BOOST 電路的結(jié)構(gòu)
2 電路的工作狀態(tài)
BOOST 電路的工作模式分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式,。其中電流連續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2(a)和圖2(b)所示,，電流斷續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖2(a)、(b),、(c)所示,，兩種工作模式的前兩個(gè)工作狀態(tài)相同，電流斷續(xù)型模式比電流連續(xù)型模式多出一個(gè)電感電流為零的工作狀態(tài),。
圖2 BOOST 電路的工作狀態(tài)
3 PSpice建模分析
3.1 PSpice建模
PSpice是一種功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真軟件,，它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真并給出波形輸出和數(shù)據(jù)輸出，無論對哪種器件和哪種電路進(jìn)行仿真,，均可以得到精確的仿真結(jié)果,。本文應(yīng)用基于PSpice的OrCAD9.2軟件對BOOST電路建模,，模型如圖3所示，其中采用N 溝道的MOS管IRF640作為開關(guān)管,，并用一個(gè)工作頻率為40K 占空比為40％ 的脈沖源VG控制MOS管的通斷來仿真圖2中開關(guān)S的通斷過程,，Rs為電源內(nèi)阻，RJ為MOS管柵極限流電阻,，其它部分與圖1相對應(yīng),。
圖3 BOOST 電路的PSpice模型
3.2 電路瞬態(tài)過程分析
用Pspice對圖3模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，首先對電路啟動(dòng)過程中O～60us時(shí)間段進(jìn)行掃描,，對應(yīng)的開關(guān)管S點(diǎn)電壓Vs的波形,、輸出電壓Vo的波形、電感上的功率PL的波形,、電感電壓VL的波形,、電感電流IL的波形如圖4所示。現(xiàn)分析其工作過程如下：
圖4 瞬態(tài)電路相應(yīng)信號仿真波形
0～5us時(shí)段：開關(guān)處于斷開狀態(tài),，直流電源通過電感L,、二極管D向負(fù)載供電，電路處于穩(wěn)態(tài),。由于電感對于直流相當(dāng)于短路,，所以s點(diǎn)電壓Vs等于電源電壓減去其內(nèi)阻電壓，為14.7V,。流過電感的電流為1.3A,。
5us～16us時(shí)段：開關(guān)于5us～6us之間閉合，并保持閉合狀態(tài)直到16us,，電路處于圖2(a)狀態(tài),。由于電路開關(guān)狀態(tài)發(fā)生突變，電路進(jìn)入暫態(tài),。由于開關(guān)閉合,，Vs降為0，電感兩端產(chǎn)生壓降,，電感電流開始增長,，電感開始儲存能量；此時(shí)二極管D處于斷態(tài),，輸出端由電容c向負(fù)載RL提供能量,，因此可以明顯的觀察到，電容上的輸出電壓Vc 在下降,，這意味著電容在釋放剛剛靜態(tài)時(shí)儲存的能量。
3.3 電路穩(wěn)定過程的分析
觀察圖4電感上的功率PL波形,，因?yàn)镻L為正表示電感吸收能量,，PL為負(fù)表示電感釋放能量,，PL波形曲線與時(shí)間軸所圍面積既是相應(yīng)時(shí)間內(nèi)電感傳遞能量的大小。不難看出電路工作的前兩個(gè)周期中,，電感儲存的能量大于釋放的能量,。第二個(gè)周期開始時(shí)，電感電流在第一個(gè)周期的基礎(chǔ)上增長,，進(jìn)一步儲存能量,，在開關(guān)斷開時(shí)，電感釋放出更大能量,，以更高的Vs向負(fù)載提供更高的輸出電壓,，圖4中第二周期電感電壓的負(fù)電壓幅值大于第一周期也恰恰說明了這一點(diǎn)。但是應(yīng)該注意到,，電感上負(fù)電壓的幅值又與電感電流下降的斜率成正比,，隨著電路的工作，每個(gè)周期電感提供的負(fù)電壓越來越大,，電感電流下降斜率也隨之增加,，直到在單個(gè)工作周期末尾，電感電流值下降到此工作周期開始時(shí)的電感電流值,，此時(shí)電感吸收的能量等于其釋放的能量,，電感不再進(jìn)一步儲能。開關(guān)斷開時(shí)電感提供的負(fù)電壓不會再增加,，電感電流下降的斜率也不會再增加,，電感進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。
與電感類似,，輸出電容也存在著由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程,，用與電感采用相似的能量方法也可得到，電路剛剛開始工作時(shí)電容的充電能量大于放電能量,，每個(gè)周期,，電容除了在開關(guān)閉合時(shí)給負(fù)載提供能量外，自己還在存儲能量,，所以輸出電壓越來越高,。隨著電壓的升高，開關(guān)閉合時(shí),，電容的放電電流越來越大,，直到一個(gè)周期內(nèi)，電容的充電能量等于電容的放電能量時(shí),，電容進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),，輸出電壓穩(wěn)定。
用PSpice對BOOST 電路模型進(jìn)行0～2.5ms瞬態(tài)分析,，輸出電壓Vo和電感電流IL的波形如圖5所示,，易見,，電路輸出電壓，電感電流在1.4ms左右趨于穩(wěn)定,，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài),。值得注意的是電感電流在前1ms內(nèi)形成了一個(gè)峰值，這是由于前1ms內(nèi),，電感和輸出電容上的能量不斷增加導(dǎo)致的,，它反映了電感和電容由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)器件自身的能量存儲的過程。
3.4 電路穩(wěn)態(tài)分析
對1.4ms～1.46ms時(shí)段進(jìn)行掃描分析,，與圖4對應(yīng)的輸出波形如圖6所示,，電路的工作過程與圖4類似，只是此刻電感,、電容均已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),，每個(gè)工作周期電感提供相同大小的負(fù)壓，電感電流下降的斜率一定,，電感吸收的能量等于釋放的能量,，電容充電能量等于放電能量，電感,、電容不再吸收能量而成為能量傳遞的工具,。
3.5 電流斷續(xù)模式工作過程的分析
當(dāng)電感較小，或負(fù)載電阻較大,，或電路工作周期較長時(shí),，BOOST 電路進(jìn)入電流斷續(xù)工作模式。現(xiàn)將圖3中的負(fù)載電阻換為150Ω,，經(jīng)仿真分析,，發(fā)現(xiàn)電路已經(jīng)工作于電流斷續(xù)模式。由仿真發(fā)現(xiàn),，電路瞬態(tài)過程與電流連續(xù)型完全相同,，故在此不對電路的瞬態(tài)過程再做說明。現(xiàn)取電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的60ms～60.06ms進(jìn)行掃描分析,，與圖6對應(yīng)的輸出波形見圖7所示,。對比圖6和圖7 不難發(fā)現(xiàn)，電流斷續(xù)型電路在經(jīng)歷了和圖6類似的圖2(a)和圖2(b)兩個(gè)狀態(tài)后,，在60.024ms～60.03ms時(shí)間段處于圖2(c)狀態(tài),，由輸出波形可見，此時(shí)電感電流減小到0,，電感電壓的平均值亦為0,，S點(diǎn)的電壓平均值為電源供電電壓15V，由于s點(diǎn)電壓Vs小于電路輸出電壓Vo故二極管D截止,，負(fù)載所需能量由輸出電容提供,。
4 結(jié)束語
PSpice是當(dāng)今世界最流行的電路分析軟件之一,，其仿真結(jié)果非常接近實(shí)際電路分析和設(shè)計(jì)環(huán)境,。本文采用PSpice仿真分析方法,，對BOOST 電路的工作過程和升壓原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并從能量傳遞的角度進(jìn)分析了電感,、電容等儲能元件由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的工作過程,，并且給出了直觀易懂的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證分析的正確性。對深入理解BOOST 電路有極大的促進(jìn)作用,。
16us～30us時(shí)段：開關(guān)于16us～ 17us之間斷開,，并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)直到30us，電路處于圖2(b)狀態(tài),。電路開關(guān)狀態(tài)再次發(fā)生突變,，電路仍處在暫態(tài)中。由于電感的電流連續(xù)特性,，線圈L 中的磁場將改變線圈L兩端的極性,，以保持IL不變，因此圖4中VL在這一時(shí)段出現(xiàn)負(fù)電壓,，此電壓是由線圈L的磁能轉(zhuǎn)化成的,，它與電源VI串聯(lián)，以高于VI 的電壓向電路的后級供電,，使電路產(chǎn)生了升壓作用,。此時(shí)，電感向后級電路釋放能量,，電感電流不斷減小,，電感電流通過二極管到達(dá)輸出端后，一部分給輸出提供能量,，一部分給電容充電,，可以觀察到，電容上的電壓在上升,，電容開始儲存能量,。
電路在5us～30us時(shí)段之間的工作過程是BOOST 電路的第一個(gè)工作周期，此后電路重復(fù)上述過程繼續(xù)工作,。