BOOST 電路的PSpice仿真分析
西北工業(yè)大學 韓彬 景占榮 高田
摘要： 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)電源領域內(nèi)占有非常重要的地位，長期以來廣泛的應用于各種電源設備的設計中。對它工作過程的理解掌握關(guān)系到對整個開關(guān)電源領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工作過程和升壓原理。本文采用PSpice仿真分析方法，直觀、詳細的描述了BOOST電路由啟動到達穩(wěn)態(tài)的工作過程，并對其中各種現(xiàn)象進行了細致深入的分析，便于讀者真正掌握BOOST電路的工作特性。
Abstract：
Key words :
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)電源領域內(nèi)占有非常重要的地位，長期以來廣泛的應用于各種電源設備的設計中。對它工作過程的理解掌握關(guān)系到對整個開關(guān)電源領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工作過程和升壓原理。本文采用PSpice仿真分析方法，直觀、詳細的描述了BOOST電路由啟動到達穩(wěn)態(tài)的工作過程，并對其中各種現(xiàn)象進行了細致深入的分析，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是一種功能強大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真軟件，它可以進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行仿真，均可以得到精確的仿真結(jié)果。本文應用基于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。
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模型進行瞬態(tài)分析，首先對電路啟動過程中O～60us時間段進行掃描，對應的開關(guān)管S點電壓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?，F(xiàn)分析其工作過程如下：
圖4 瞬態(tài)電路相應信號仿真波形
0～5us時段：開關(guān)處于斷開狀態(tài)，直流電源通過電感L、二極管D向負載供電，電路處于穩(wěn)態(tài)。由于電感對于直流相當于短路，所以s點電壓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；此時二極管D處于斷態(tài)，輸出端由電容c向負載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，因為PL為正表示電感吸收能量，PL為負表示電感釋放能量，PL波形曲線與時間軸所圍面積既是相應時間內(nèi)電感傳遞能量的大小。不難看出電路工作的前兩個周期中，電感儲存的能量大于釋放的能量。第二個周期開始時，電感電流在第一個周期的基礎上增長，進一步儲存能量，在開關(guān)斷開時，電感釋放出更大能量，以更高的Vs向負載提供更高的輸出電壓，圖4中第二周期電感電壓的負電壓幅值大于第一周期也恰恰說明了這一點。但是應該注意到，電感上負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，每個周期電感提供的負電壓越來越大，電感電流下降斜率也隨之增加，直到在單個工作周期末尾，電感電流值下降到此工作周期開始時的電感電流值，此時電感吸收的能量等于其釋放的能量，電感不再進一步儲能。開關(guān)斷開時電感提供的負電壓不會再增加，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電容的充電能量大于放電能量，每個周期，電容除了在開關(guān)閉合時給負載提供能量外，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，電容的放電電流越來越大，直到一個周期內(nèi)，電容的充電能量等于電容的放電能量時，電容進入穩(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時段進行掃描分析，與圖4對應的輸出波形如圖6所示，電路的工作過程與圖4類似，只是此刻電感、電容均已進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每個工作周期電感提供相同大小的負壓，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
當電感較小，或負載電阻較大，或電路工作周期較長時，BOOST 電路進入電流斷續(xù)工作模式。現(xiàn)將圖3中的負載電阻換為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?，F(xiàn)取電路進入穩(wěn)態(tài)后的60ms～60.06ms進行掃描分析，與圖6對應的輸出波形見圖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)兩個狀態(tài)后，在60.024ms～60.03ms時間段處于圖2(c)狀態(tài)，由輸出波形可見，此時電感電流減小到0，電感電壓的平均值亦為0，S點的電壓平均值為電源供電電壓15V，由于s點電壓Vs小于電路輸出電壓Vo故二極管D截止，負載所需能量由輸出電容提供。
4 結(jié)束語
PSpice是當今世界最流行的電路分析軟件之一，其仿真結(jié)果非常接近實際電路分析和設計環(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行了詳細的分析，并從能量傳遞的角度進分析了電感、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算機仿真結(jié)果驗證分析的正確性。對深入理解BOOST 電路有極大的促進作用。
16us～30us時段：開關(guān)于16us～ 17us之間斷開，并保持斷開狀態(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在這一時段出現(xiàn)負電壓，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，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時段之間的工作過程是BOOST 電路的第一個工作周期，此后電路重復上述過程繼續(xù)工作。
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