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BOOST拓扑应用指南
BOOST拓扑应用指南
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1 Boost控制器应用场景
2 Boost电路组成
3 盘算相关参数
- 电感选型、采样电阻选取、采样消隐、斜坡赔偿设置、MOS管选型、续流二极管选型、输出电容选择、输入电容选择、使能控制实现、输出电压设定、赔偿元件参数的盘算
4 控制器选型与推荐
摘要
BOOST是开关电源中的三种基础拓扑之一， ，，应用于供电电压低但负载需要获得比输入电压更高的场景 。。如汽车中的车灯、音响功放、中控、T-BOX、激光雷达等 。。
因应用场景的电压和功率各不相同， ，，内置MOSFET升压转换器的功率及耐压有时会受限 。。内置MOSFET若是用单Die工艺本钱会比市面上成熟的分立MOSFET高， ，，且分立的MOSFET许多样也易选择；；；；；；若接纳多Die合封， ，，可靠性和热及无邪性受到限制 。。
这时控制器加外置MOSFET的方法是个高性价比的不错选择 。。功率器件外置后给应用者带来了一定的器件选型挑战 。。本篇内容我们将基于BOOST控制器SCT8162xQ系列中SCT81620的BOOST拓扑应用参数盘算举行梳理 。。
示例规格如下：
输入：DC6V-16V， ，，耐压需要36V；；；；；；
输出：DC43V 1.4A
输出纹波：±3%@静态， ，，±5%@动态
目录
1 摘要 Boost控制器应用场景1
2 Boost电路组成3
3 盘算相关参数4
3.1电感选型4
3.2采样电阻选取4
3.3采样消隐、斜坡赔偿设置5
3.4 MOS管选型5
3.5续流二极管选型6
3.6输出电容选择6
3.7输入电容选择7
3.8使能控制实现7
3.9输出电压设定8
3.10赔偿元件参数8
4 控制器选型与推荐9
二、电路组成
电路的功率拓扑确定后， ，，功率级参数关乎系统效率和EMI及本钱等 。。
器件选型可先完乐成率级器件参数设定， ，，再通过赔偿级的阻容参数设置使系统稳固事情和提供足够的负载动态响应等 。。
规格确认
1、SCT81620Q芯片输入电压规模：3.2V-50V， ，，宽于示例要求的输入电压DC6V-16V和耐压36V 。。
2、 占空比Dmax=1-η*Vin_min/(Vout+Vd)=1-0.9*6/43.6=0.876， ，，系统效率预设90%.
凭证规格书开关频率设置在400KHz 是可以维持91%占空比,示例选择350KHZ 。。
凭证Dmax=1-Toff_min*Fsw,若Toff_min牢靠则通过调解Fsw也是可以改变Dmax 。。
现实上SCT81620的Toff_min与Fsw是成反比的， ，，不是个牢靠值 。。
RFA=(19700/350)-1.177=55K?， ，，选标准阻值56 K?
3.1电感选型
为阻止应用历程中电感饱和， ，，须包管电感峰值电流不可大于电感的饱和电流， ，，BOOST拓扑电感峰值电流最卑劣条件是负载满载且在VIN_min时 。。凭证伏秒平衡及电感电流的纹波率可盘算出电感量， ，，其中纹波率取20%-40%， ，，性价比是最高的 。。电感量过小， ，，电感电流纹波大， ，，电感饱和电流就得要选的更大， ，，开关管的温升也会高， ，，甚至EMI问题也会较量显着；；；；；；电感量过大， ，，电感电流纹波会较量小， ，，但导致动态响应变差， ，，尺寸也会较量大， ，，本钱甚至增添 。。
电感的平均电流IL=Io/(1-D)=1.4/(1-0.876)=11.29A
电感的纹波电流△IL， ，，基于纹波率选择30% 。。△IL=0.3*IL=3.39A
电感峰值电流IPK=IL+△IL /2=12.98A 。。
思量预留20%余量， ，，可选取≥16.22A饱和电流的电感
开关频率fsw上面已预设为 350KHz
电感量L=(Vin_min*D)/( △IL*fsw)=(6V*0.876)/( 3.339A*350KHz )=4.43uH， ，，如选择标准值4.7uH 。。
BOOST拓扑限流电阻即采样电感的峰值电流 。。凭证IPK思量预留10%余量， ，，限流点可设置14.42A 。。
凭证IPEAK_CL=(Vsense-40uA*RSL*D)/RSNS146.5mV/14.42A=10.16mohm
起源选择10mΩ， ，，此值是基于无外部斜坡赔偿， ，，RSL=0Ω状态 。。若不是0Ω， ，，还需要连系RSL值 。。
电阻是耗能元器件， ，，选型时一定要评估所选的电阻额定功率是否知足要求 。。
凭证PRSNS= IPEAK_CL^2* RSNS=14.42A*14.42A*0.01=2.08W， ，，选择3W， ，，1%精度的2512封装
因寄生参数， ，，外置开关管的每次开启不可阻止带来开关毛刺， ，，甚至可能会引起内部误行动 。。为了消除开关毛刺的影响， ，，采样延时或外接RC滤波电路是须要的 。。避免高占空比下的次谐波振荡， ，，SCT81620Q 提供了内部牢靠赔偿加外部可选的可调解斜率赔偿方法 。。
当内部斜率赔偿不敷大的， ，，需要使用外部RSL特殊斜率赔偿 。。凭证峰值电流� ？？？？？ ？刂评砺�， ，，斜率赔偿中的斜坡斜率必需大于电感电流下降斜率的一半， ，，设置0.75为佳， ，，以避免高占空比下的次谐波振荡 。。
凭证(40uA* RSL+90mV)*fsw/(((Vo+Vd)-VIN )*RSNS /L)=0.39<0.75
建议外加斜率赔偿 。。凭证以上公式， ，，RSL可取560?, RSNS需改为9m?， ，，当外加斜率赔偿后其限流值也随着转变， ，，以是采样电阻的选择是一个一直迭代历程 。。
外接RC滤波时， ，，在消隐的这段时间内， ，，芯片不会对过流做出反应， ，，即导通时间小于2*RSL*CSL时， ，，峰值电流限制无效,且此过流点随供电电压的转变而转变 。。
凭证在关断时代要使 CSL完全放电， ，，RC时间常数应知足3*RSL*CSL<(1-D)/fsw
可推出CSL<214PF 。。
凭证(1-Vin_max/Vo)/fsw>2*RSL*CSL可盘算出限流有用对应的最高供电电压为39.6V 。。
MOSFET是电源焦点器件之一， ，，其选型关乎到系统的性能和本钱等；；；；；；也是系统中主要的热源之一， ，，车载应用大多是在密闭情形中， ，，思量散热处置惩罚及生产利便我们可以选择贴片的封装如5mm*6mm ， ，，也可使用铝制外壳当散热器 。�；；；；；；贒C/DC应用中的MOSFET常见失效模式， ，，可重点评估MOSFET的雪崩与SOA两个指标, 选择准确的MOSFET规格也是一个迭代历程 。。
- 驱动电压
凭证控制器的驱动电压为6V， ，，我们可选择4V及以下开启的， ，，思量车载应用情形可以选择4V也利于提高抗滋扰 。。
- 耐压
Vds>1.25*(Vo+Vd)=1.25*(43+0.85)=54.8V,选取耐压60V
- 额定电流的起源规模确认
Id>(3-5)*IPEAK_CL=(3-5)*14.42A=43A-72A
- Qg
当频率凌驾100KHz后， ，，由于MOSFET的G、D、S各极之间保存寄生电容， ，，驱动时电容保存充放电电流和充放电时间从而爆发消耗， ，，因此必需注重MOSFET的栅极电荷Qg,输出电容Coss,以及栅极驱动电阻对开关消耗的影响 。。其中总栅极电荷 (QG_total)是重点关注的参数， ，，不可大到足以使内部 VCC 稳压器置于电流限制状态， ，，SCT81620虽没有电流限制， ，，思量功耗建议凭证如下限制 。。
Qg<70mA/fsw=200nF
- 热评估
凭证前面4个办法， ，，起源可选用IAUC60N06S5N074（7.4m?@60V60A） 。。为了确保MOSFET可靠性， ，，通常最大事情结温降低 10°C 至 25°C， ，，常用FR4材质的PCB， ，，温度上限为110度左右 。。
凭证所选择的MOSFET参数盘算温度降额后电流
Id(25℃@Vgs=6V)=sqrt((Tjmax-Tc)/(Rdson_max*a*Rθjc))
= sqrt((175℃-25℃)/(11m?*1.62*2.9K/W))=53.87A
Id(110℃)=Ids(25℃)*(Tj-Tc)/(Tjmax-25℃)=53.87A*(150℃-110℃)/(150℃-25℃)
=17.2A> IPEAK_CL
再凭证MOSFET消耗来判断MOSFET自己的热阻是否可以知足散热要求， ，，其中导通消耗、开关消耗、驱动消耗占大头 。。也可凭证对MOSFET实测波形用线性近似法来对各个时间规模举行支解从而盘算功率消耗 。。须要的话需外加散热器辅助散热 。。
车载应用一样平常是密闭情形， ，，温度会较量高 。。因此续流二极管选型时， ，，除了低 VF之外， ，，从降低热失控危害的看法来看， ，，低 IR特征和封装的散热性能也变得很是主要 。�；；；；；；剐杼厥庾⒅�， ，，因升压拓扑启机瞬间输入输出保存必定通路以是续流二极管需能遭受此浪涌电流 。。
二极管的反向额定电压必需大于负载电压， ，，Vrrm>1.25*Vo=1.25*43V=53.75V,选取耐压60V
续流管电流ID=(3~5)*Io=(3~5)*1.4A=4.2A~7A ， ，，如选择DIODES的PDS760Q
① 耐压
(1.25-1.5)*Vo=1.25*43V=53.75V， ，，可以选择63V 。。
② 容量
思量负载10%-90% 阶跃时， ，，即从0.14A至1.26A转变， ，，输出电流全由输出电容提供， ，，输出电压转变量不凌驾5%=2.15V， ，，此时对电容量要求最为苛刻， ，，以是输出电容必需足够大， ，，提供芯片足够时间响应， ，，从而将输出电压坚持在指定规模内 。。BOOST拓扑由于是在Toff时能量转达至输出， ，，保存不可赔偿的右半平面零点， ，，因此系统响应带宽建议设置在1/10-1/3右半平面零点 。�；；；；；；诘虴SR选用MLCC陶瓷电容， ，，需思量电容精度、MLCC直流偏置 。。
- 右半平面零点频率
f_rhpz=(Ro(1-D)^2)/(2π*L) =((43/1.4)*(1-0.87) ^2)/(6.28*4.7uH)=17.58KHz
2）若取1/5的f_rhpz作为带宽频率fc=3.516KHz
凭证电容方程I×?T=C×?U；；；；；；I=?Io=1.12A， ，，?T=0.3/fc， ，，?U=2.15V
可推出输出电容值：
Cout>0.3*?Io/(fc*?Vo)=0.3*1.12A/(3.516KHz*2.15V)=44.44uF
可以选4个63V 2220封装的22uF 。。
思量本钱及大容量选用电解电容时， ，，需注重其耐纹波电流以及ESR的影响， ，，ESR应只管小 。。输出电容第一使命是滤除输出高频纹波， ，，但因ESR爆发的零点频率与穿越频率规模相当， ，，会影响穿越频率周围的增益巨细与相位 。。应用中电解电容同时并联MLCC提高滤波效果 。。
BOOST拓扑的输入电容电流具有一连性 。。由于电感电流的转变， ，，引起输入电容充放电和内部ESR使得电容电压保存纹波， ，，差别客户对输入电压纹波要求差别， ，，建议输入有足够的电容量以使输入电压纹波在划定规模内， ，，示例按200mV 。。
① 耐压
(1.25-1.5)*VINmax =1.25*36V=45V可以选择50V
② 容量
基于低ESR首选MLCC陶瓷电容， ，，但容量也相对较小， ，，其容值对纹波起决议作用 。。凭证如下公式可以盘算出来容值为5.659uF, 可以选3个50V 1210封装的10uF 。。
Cin>VINmin*D/(8*fsw*fsw*L*?Vin)
=6*0.874/(8*350KHz*350KHz*4.7uH*200mv)=5.69 uF
通过将SD的PIN脚上拉凌驾1.3V即可实现关断芯片 。。
需注重 SCT81620此PIN脚耐压是5.5V 。。
思量电压精度和阻止噪声滋扰及消耗， ，，建议RBOT取值在60K?内， ，，这里选择24.9K?， ，，凭证给定的反响参考电压 Vref=1.26V， ，，可以盘算出分压电阻RTOP的值 。。
RTOP=RBOT*(Vo/Vref-1)=24.9K*(43V/1.26V-1)=825K?
由于功率级电路部分含有LC器件以是环路增益会有时间的延迟或相位差别， ，，以是误差放大器需有频域的增益巨细与相位赔偿 。。SCT81620/Q的误差放大器接纳电压控电流型运放结构， ，，且接纳峰值电流控制模式 。。
BOOST拓扑由于是在Toff时能量转达至输出， ，，保存不可赔偿的右半平面零点， ，，因此系统带宽fc建议设置在1/10-1/3的右半平面零点 。。
通过设置RC提供足够的相位裕量， ，，凭证零极点抵消法， ，，CC1的选取需要将其与RC天生的赔偿器零点安排在功率级负载极点处(输出电容与负载等效阻抗爆发的极点)或略高的地方如0.1*fc 。。相关参数的盘算如下：
- 赔偿电阻
Rc=(2π*fc*Co*Vo*Vo)/(Gea*0.24/Rsns*Vref*Vinmin)
=(6.28*3.516KHz*43V*43V*44uF)/(900us*0.24/9m?*1.26V*6V)=9.9K?取10K?
- 赔偿电容
CC1=1/()=1/(6.28*10K*0.1*3516Hz)=45.28nF取47nF
CC2爆发的高频极点是用来抵消输出电容的ESR零点， ，，当输出电容为陶瓷电容时， ，，由其ESR零点频率远高于事情频率， ，，以是， ，，关于接纳陶瓷输出电容的应用CC2可以被省略掉 。。输出电容若是电解电容， ，，带宽需要低一些， ，，另需要注重ESR随温度转变影响环路的问题 。。
四、控制器选型与推荐
