如何设计一个超低压差的BOOST变换器
在实际的应用中，电子系统会遇到一些超低压差的boost变换器，如基于usb供电的系统，由于考虑到usb线上的压降，会采用一个升压的boost变换器，将电压升到5v以上，如5.15v，5.2v或5.25v。通常usb口由于输出负载的影响以及主机usb电源管理功能的差异，其电压会在4.75v到5.1v之间波动，对于从4.5-5.1v的输入升到输出为5.15v的boost变换器，当输入为最高的5.1v而输出5.15v时，设计就会有遇到一些问题。在本文中将讨论这种变换器设计的问题，并给出相应的方案，从而为电子工程师提供一些设计的指导。
1 超低压差boost变换器的设计问题
基本常规的boost变换器的结构见图1所示,功率mosfet为主开关管，d为输出升压二极管，如果把二级管换为功率mosfet，则为同步boost变换器。
图1：boost变换器
在开关管导通时，电感激磁，电感电流线性增加存储能量，输出电容提供全部的输出负载电流。
（1）
开关管关断时，电感去磁，电感电流线性降低加，输入电源和电感向输出负载提供能量。
(2)
由(1)、(2)上两式可以得到：
(3)
若vin=5.1v，vo=5.15v，vf=0.4v，可以得到：d=8.1%。
电流模式的boost变换器，电流检测信号有一定的延时，同时为了消除开通前沿的电流尖峰导致内部信号误动作，电流检测信号通常都设有前沿消隐时间leb，这也是pwm控制器固定的最小导通时间 [1] ，一般在50-250ns的范围。
若boost变换器的开关频率为1mhz，leb=100ns，从5.1v升到5.15v的导通时间为=81ns，小于系统的100ns值，这时候，在每个导通的周期，输出电压会冲到很大的值，pwm控制区器将进入跳脉冲的工作状态[2] ，输出电压纹波很大，如果boost变换器没有输出过压保护功能或这个功能保护时间慢，输出电压的过冲有可能会损坏后面的芯片。
2 解决方案
由于pwm的最小导通时间是系统固有的值，不可以改变，从公式(3)可以得出：增大占空比或减小开关频率，可以提高在最高输入电压时导通时间ton，从而使实际的最小ton的大于系统固有的最小导通时间ton(min)，这样输出电压就一直处于调节的范围，系统不会进入跳脉冲模式。
如果boost变换器的开关频率可以从外面来设定，那么就可以调整开关频率。在一些手持式系统中，一般会采用尽可能高的开关频率，以减小相应的电感和输出电容的体积，从而降低系统的体积并降低系统的成本。因此工程师一般不会采用低的开关频率。
同时，目前许多单芯片集成mosfet 的boost变换器的开关频率是固定的，以去掉外置的电容和ic的一个管脚。这样一来，开关频率无法从外面进行调整，只有想方法增大占空比。
从公式(3)可以看出，提高vf的值可以增大占空比，那么就可以采用图2的方法，输出串联一个二极管，从而提高最小的占空比值。
图2：增大boost变换器最小占空比
此时，占空比为：。
同样，若vin=5.1v，vo=5.15v，vf=0.4v，可以得到：d=14.3%。串联一个二极管后，占空比从8.1提高到14.3，导通时间为143ns，大于系统的100ns值。这种方法的缺点是额外的增加一个元件，同时系统效率降低。
3 结论
通过在输出额外的串联一个二极管可以提高系统的最小占空比，避免系统进入跳脉冲的工作状态，产生大的纹波，适合于开关频率固定，超低压差的boost变换器。额外串联的二极管降低系统的效率。
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1 超低压差boost变换器的设计问题
基本常规的boost变换器的结构见图1所示,功率mosfet为主开关管，d为输出升压二极管，如果把二级管换为功率mosfet，则为同步boost变换器。
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在开关管导通时，电感激磁，电感电流线性增加存储能量，输出电容提供全部的输出负载电流。
（1）
开关管关断时，电感去磁，电感电流线性降低加，输入电源和电感向输出负载提供能量。
(2)
由(1)、(2)上两式可以得到：
(3)
若vin=5.1v，vo=5.15v，vf=0.4v，可以得到：d=8.1%。
电流模式的boost变换器，电流检测信号有一定的延时，同时为了消除开通前沿的电流尖峰导致内部信号误动作，电流检测信号通常都设有前沿消隐时间leb，这也是pwm控制器固定的最小导通时间 [1] ，一般在50-250ns的范围。
若boost变换器的开关频率为1mhz，leb=100ns，从5.1v升到5.15v的导通时间为=81ns，小于系统的100ns值，这时候，在每个导通的周期，输出电压会冲到很大的值，pwm控制区器将进入跳脉冲的工作状态[2] ，输出电压纹波很大，如果boost变换器没有输出过压保护功能或这个功能保护时间慢，输出电压的过冲有可能会损坏后面的芯片。
2 解决方案
由于pwm的最小导通时间是系统固有的值，不可以改变，从公式(3)可以得出：增大占空比或减小开关频率，可以提高在最高输入电压时导通时间ton，从而使实际的最小ton的大于系统固有的最小导通时间ton(min)，这样输出电压就一直处于调节的范围，系统不会进入跳脉冲模式。
如果boost变换器的开关频率可以从外面来设定，那么就可以调整开关频率。在一些手持式系统中，一般会采用尽可能高的开关频率，以减小相应的电感和输出电容的体积，从而降低系统的体积并降低系统的成本。因此工程师一般不会采用低的开关频率。
同时，目前许多单芯片集成mosfet 的boost变换器的开关频率是固定的，以去掉外置的电容和ic的一个管脚。这样一来，开关频率无法从外面进行调整，只有想方法增大占空比。
从公式(3)可以看出，提高vf的值可以增大占空比，那么就可以采用图2的方法，输出串联一个二极管，从而提高最小的占空比值。
图2：增大boost变换器最小占空比
此时，占空比为：。
同样，若vin=5.1v，vo=5.15v，vf=0.4v，可以得到：d=14.3%。串联一个二极管后，占空比从8.1提高到14.3，导通时间为143ns，大于系统的100ns值。这种方法的缺点是额外的增加一个元件，同时系统效率降低。
3 结论
通过在输出额外的串联一个二极管可以提高系统的最小占空比，避免系统进入跳脉冲的工作状态，产生大的纹波，适合于开关频率固定，超低压差的boost变换器。额外串联的二极管降低系统的效率。
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