笔记本供电无障碍Boost升压电路设计详解

Boost拓扑结构一直是几款既经典又基本的基础电路之一，它被运用在非常多的供电设备中。本文中讲解了学习、拆解、重组的Boost模块都是运用了UC3843的控制芯片，这款芯片是专门为设计低压电路所准备的。在以下的讲解过程中，针对Boost升压电路设计及计算过程做出了详细的讲解。

下图为2块boost模块，第一步就是得到两个模块的电路图，最直接的方法就是用万用表一根根的测量，类似“抄板”工作，但适用于初学者。 

图1 两块成品升压模块

上图的模块主电路基本一致，都是典型Boost升压电路，它们使用MOSFET作为开关器件；控制芯片也一致为UC3843，是电流型PWM控制芯片，经过插接它们的芯片外围电路和参数略有不同。网上对UC3843系列芯片使用讲述得并不透彻，要想了解的更透彻惟有学习其官方文件，但UC3843的PDF版本也很多，能够找到的最好版本是UC3843(Rev. 15)，另外一个UC3843A作为补充。 

图2 UC3843系统图

首先，设置PWM最大占空比和频率。PWM脉冲由RT和CT谐振产生，设计RT和CT参数时，先设计最大占空比确定RT，再通过频率确定CT的数值。PDF中讲述了，PWM波形的最大占空比仅由RT函数确定，为了保护电路可以通过限制最大占空比来实现，（比如Boost电路中设置最大占空比为50%，那么输出电压最大值就不可能超过输入电压的50%）公式如下所示：

公式中已知量VRT/CT(valley)= 1.2V，VRT/CT(peak)= 2.8V，Vref= 5V，Idischg= 8.3mA，RT为谐振电阻。以Boost电路为例，为防止输出电压过高，我要求Dmax<70%，于是电阻就选择了比较常见的RT=1KΩ，Dmax=64.2%。

表1 RT与Dmax关系表

选择电阻后再根据PDF文件中提供的频率图选择电阻，比如希望PWM适当高些大于50KHz，可以减小电感量，那么找到0.8上的第二根水平线与50K竖直线的交叉处，估算到CT应该大于10nF，估计在15nF以上，看看自己的贴片电容情况，挑选比较接近的22nF的电容，CT=22nF。

图3 频率设置曲线图估算完毕后，可以依据公式核算(PDF上有说明的计算一般都有10%的误差，原因是电阻和电容的标称值都有1%~5%的误差以及温度影响)。

计算值53.4KHz，实际值53.7KHz，比较准确了。

然后，进行电压反馈环节设计。就采用最基本的方案，2脚电压反馈输入，1脚电压反馈补偿输入，如图4所示。

图4 电压反馈环节设计

2脚的参考电压是2.5V，Rf要求大于8.8K，频率不是特别高，反馈也不是要求响应特别快，因此选用大家用得多的参数Rf=100K，Cf=100pF。调节Ri和Rd的数值，就可以调节输出电压了，计算公式是：

VO=2.5*(Rd+Ri)/Rd

最后，进行电流反馈环节设计。

图5 电流反馈环节设计

3脚是电流反馈输入，参考电压值是1V(超过1V时响应，减小PWM占空比)限流靠设计RS的值，设计时由于没有合适的电阻（要同时考虑阻值和功率），只能将就选择0.05Ω/2W的电阻串上一个保险丝来代替（估计在平均电流小时应该有0.07欧左右，平均电流大时应该有0.15欧电阻，这样可以限制电流6.5A以内）。R的值比较随意，一般就是常见的1K和10K都行，但是C的值就不能太大了，不然电流反馈的延时就太大了，很容易造成过流时间太长PWM芯片才有响应的问题，而选择太小了就容易受到尖峰的干扰，选择电阻1K，电容200pF，在54KHz的频率下对电流限制还不错。

关于主电路参数设计

图6 Boost电路结构

基本结构如图6所示，主电路参数设置如下：

1、Vin工作电压 12~18V

2、Vout工作电压 20.5V

3、电感 100mH，6A工作电路

在设计参数时，最重要的是开关频率和电感平均电流，给大家一个用Matlab-simulink搭建的简易开环Boost模型，可以自己设置参数波形是否合理。以上使用的模型是开环的，启动时冲击电流很大，可以不管，因为UC3843中电流反馈可以实现软起动，只要注意看稳态时电感上的平均电流就可以了，电感电流选择上最好留50%的余量。电路原理图如下：

图7 基于UC3843的Boost升压电路原理图

解释：

1、R7、R10、R9构成输出电压反馈环节，调节R10就能改变输出电压了。这里电阻R9设置为7K是为了防止电压升得太高，如果需要的电压较高就的适当减少R9。

Vmax=2.5*(7K+51K)/7K=20.7 V

Vmin=2.5*(10K+7K+51K)/(10K+7K)=10 V

2、电阻R4，保护MOSFET，防止源极开路。

3、二极管D2一定要用低导通压降的肖特基二极管，最好能装散热片的。

4、输入输出两端的支撑电容当然越大越好，不过当参数下到1000uF时，输出已经非常好了，特别提醒：电容是有耐压值的，如果要输出30V，却用25V耐用电容，通电时间稍微长点就会爆电容。

图8 实物展示

经过模仿研究及再实践可以看出UC3843是一款不错的PWM芯片，有两个反馈环，电压环精确稳压，电流反馈可以限流保护，比单独用单片机成本低，可靠性高，同时不占用单片机资源。使用的基本是UC3843最精简的外围结构，适合初学者入手制作。如果后续配上高频变压器，使用的方式就更加丰富了。市面上还有款芯片TL494可以代替UC3843，功能差不多。