BOOST 电路的PSpice仿真分析
1 引言
BOOST 电路又称为升压型电路，是一种直流一直流变换电路，其电路结构如图1所示。此电路在开关电源领域内占有非常重要的地位，长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中。对它工作过程的理解掌握关系到对整个开关电源领域各种电路工作过程的理解，然而现有的书本上仅仅给出电路在理想情况下稳态工作过程的分析，而没有提及电路从启动到稳定之间暂态的工作过程，不利于读者理解电路的整个工作过程和升压原理。本文采用PSpice仿真分析方法，直观、详细的描述了BOOST电路由启动到达稳态的工作过程，并对其中各种现象进行了细致深入的分析，便于读者真正掌握BOOST电路的工作特性。
图1 BOOST 电路的结构
2 电路的工作状态
BOOST 电路的工作模式分为电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。其中电流连续模式的电路工作状态如图2(a)和图2(b)所示，电流断续模式的电路工作状态如图2(a)、(b)、(c)所示，两种工作模式的前两个工作状态相同，电流断续型模式比电流连续型模式多出一个电感电流为零的工作状态。
图2 BOOST 电路的工作状态
3 PSpice建模分析
3.1 PSpice建模
PSpice是一种功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真软件，它可以进行各种各样的电路仿真并给出波形输出和数据输出，无论对哪种器件和哪种电路进行仿真，均可以得到精确的仿真结果。本文应用基于PSpice的OrCAD9.2软件对BOOST电路建模，模型如图3所示，其中采用N 沟道的MOS管IRF640作为开关管，并用一个工作频率为40K 占空比为40％ 的脉冲源VG控制MOS管的通断来仿真图2中开关S的通断过程，Rs为电源内阻，RJ为MOS管栅极限流电阻，其它部分与图1相对应。
图3 BOOST 电路的PSpice模型
3.2 电路瞬态过程分析
用Pspice对图3模型进行瞬态分析，首先对电路启动过程中O～60us时间段进行扫描，对应的开关管S点电压Vs的波形、输出电压Vo的波形、电感上的功率PL的波形、电感电压VL的波形、电感电流IL的波形如图4所示。现分析其工作过程如下：
图4 瞬态电路相应信号仿真波形
0～5us时段：开关处于断开状态，直流电源通过电感L、二极管D向负载供电，电路处于稳态。由于电感对于直流相当于短路，所以s点电压Vs等于电源电压减去其内阻电压，为14.7V。流过电感的电流为
5us～16us时段：开关于5us～6us之间闭合，并保持闭合状态直到16us，电路处于图2(a)状态。由于电路开关状态发生突变，电路进入暂态。由于开关闭合，Vs降为0，电感两端产生压降，电感电流开始增长，电感开始储存能量；此时二极管D处于断态，输出端由电容c向负载RL提供能量，因此可以明显的观察到，电容上的输出电压Vc 在下降，这意味着电容在释放刚刚静态时储存的能量。
16us～30us时段：开关于16us～ 17us之间断开，并保持断开状态直到30us，电路处于图2(b)状态。电路开关状态再次发生突变，电路仍处在暂态中。由于电感的电流连续特性，线圈L 中的磁场将改变线圈L两端的极性，以保持IL不变，因此图4中VL在这一时段出现负电压，此电压是由线圈L的磁能转化成的，它与电源VI串联，以高于VI 的电压向电路的后级供电，使电路产生了升压作用。此时，电感向后级电路释放能量，电感电流不断减小，电感电流通过二极管到达输出端后，一部分给输出提供能量，一部分给电容充电，可以观察到，电容上的电压在上升，电容开始储存能量。
电路在5us～30us时段之间的工作过程是BOOST 电路的第一个工作周期，此后电路重复上述过程继续工作。