宁晖，党开放，黄矫燕，陈国华，张米斯
（北京化工大学机电工程学院，北京100029）
摘要：为了克服传统直流升压电路体积大、能耗大的缺点，设计一种基于NE555的直流升压电路。该电路具有功耗低、结构简单、变换效率高等特点。利用Proteus电路仿真技术，对该直流升压电路模型进行仿真分析。通过改变影响直流升压电路输出的两个关键因素，得到电路输出电压的变化规律。通过实验验证，设计电路达到了预期目标。实验结果表明，在保持脉冲频率和储能电感的电感量一定的情况下，负载电阻和控制脉冲的占空比的增加，将导致电路输出电压增大。
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关键词 ：直流升压电路；电路模型；电路仿真技术；Proteus
中图分类号：TN782+.3?34；TP62+1；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0144?03
低功率直流升压原理应用广泛，常应用于电路开关控制器和直流电源的设计[1?2]。直流升压电路分为隔离型和非隔离型两种，传统直流升压电路采用电磁感应变压器的隔离型电路，具有体积大、能耗大的缺点。非隔离型直流升压电路又分为电容型和电感型，电容型电荷泵倍压转换电路输出电压的范围有限，未获得广泛应用。本文设计了一种基于NE555 的电感式非隔离型直流升压电路，NE555 无稳态多谐振荡电路能产生频率和占空比可调的脉冲信号，可将直流5 V电压升高至所需直流电压，适合作为直流升压电路的开关电路。
1 系统组成与原理
直流升压电路系统主要由电源、开关信号发生器、开关三极管、储能电感和整流二极管等器件组成，如图1所示。
系统的工作原理为：NE555输出脉冲信号控制三极管Q1的通断。Q1导通，电源流入的能量储存于电感中；Q1从导通到截至的瞬间，电感另一侧将产生高于电源电压的瞬时脉冲。此脉冲经整流后给电容C7充电，输出放大的低功率电压。
2 电路分析
根据多谐振荡电路原理[3]，基于NE555的无稳态多谐振荡电路设计如图1左半部分所示。通电后，NE555的2脚电压小于1 3 VCC，3脚输出高电平，内部放电管截止，使7脚挂空，电源VCC 通过R1 和R2 对电容C1 充电；当C1 充电到2 脚电压大于2 3 VCC 后，3 脚输出变为低电平，内部放电管导通，7 脚接地，电容C1 通过R2 对地放电，2脚电压下降；当2脚电压下降到小于1 3 VCC 后，电源VCC 又通过R1 和R2 对电容C1 充电，使2 脚电压上升。循环过程中，3脚将输出方波信号：
式中：tL 为低电平持续时间；tH 为高电平持续时间；q 为输出方波占空比；f 为输出方波频率。
稳态下，忽略管子的导通压降，一个周期T 内电感L两端压差u 对时间的积分为零，即：
式中：ton 为电感的充电时间；toff 为电感的放电时间；Uo为输出电压；Ui 为输入电压。若电感的充放电时间等于控制脉冲的高低电平持续时间，由式（3），式（5）可得：
保持脉冲信号频率和电感量不变，作为电感升压的决定因素，电感电流主要受NE555发出的控制脉冲和输出负载R6影响。
（1）脉冲信号频率不变，占空比变化
当脉冲信号占空比增加时，三极管的导通时间增加，这将导致电感电流峰值增加，而电感放电时间减少了。稳态时，电感另一侧存在微弱感应电动势Ud，由式（5）可知：
式中：T 不变，Ud 远小于Ui ，toff 减小，输出电压将升高。
当脉冲信号占空比降低时，三极管导通时间减少，电感电流峰值降低，三极管截止时间增加。稳态时，电感电流降至零后出现短暂停滞。电感峰值电流减小，充放电时间比相对降低，输出电压将降低。
（2）输出负载电阻变化
当输出负载电阻R6减小时，输出负载电流增加。当三极管即将导通时，电感电流仍未下降至零，电感另一侧仍存在感应电动势Ud，由式（5）可知：
ton 和toff 不变，输出Uo 将降低。
当输出负载电阻R6增大时，电感放电时间变短。当电感放电结束时，三极管仍处于截止状态，导致电感电流降至零后出现短暂停滞。由式（6）可知，稳态下，当ton 不变，toff 减小时，输出电压将升高。
3 电路仿真与实验
3.1 电路仿真
为直观了解本直流升压电路的特性，用Proteus 构建仿真模型，进行仿真测试[4?5]。其输出电压Vout波形如图2所示，测得稳态输出电压Vout为15.3 V。
稳态下，三极管Q1的基级电压VQ 波形如图3所示，周期为0.035 ms，高电平持续时间为0.024 ms，符合理论计算。通过电感L1的电流I1波形如图4所示，其波形变化与VQ波形相对应，符合理论分析。
（1）保持脉冲信号频率不变，占空比变化
脉冲信号频率不变，占空比变为90%。稳态输出电压Vout 为38.2 V，电流I1 波形图如图5（a）所示。脉冲信号频率不变，占空比变为52%。稳态输出电压Vout 为12.3 V，电流I1波形图如图5（b）所示。
（2）输出负载电阻变化当负载电阻R6 为68 Ω时，为降低RC 低通滤波上限截止频率，将C8 增至100 μF，稳态输出电压Vout 为9.52 V，电流I1 波形图如图6（a）所示。当输出空载，即没有R6，C8为10 μF时，稳态输出电压Vout 为40.5 V，电流I1波形图如图6（b）所示。
由仿真分析可知，在保持脉冲频率和电感量不变的情况下：负载电阻不变时，增加脉冲信号占空比，将导致输出电压升高；脉冲信号占空比不变时，增大负载电阻，将导致输出电压升高。
3.2 实验分析
根据图1 所示电路原理图，搭建实验电路，并进行实验分析。根据仿真测试内容，通过改变元器件，测得不同情况下的稳态输出电压数据。稳态输出电压仿真实验对照数据表如表1所示。
由实验结果可见，输出电压变化规律与理论分析一致。由于实际电路有一定电路损耗，输出电压略低于仿真结果。
4 结语
本文设计了一种基于NE555的直流升压电路，利用Proteus 软件对电路进行仿真分析，并进行了实验验证。结果表明，在保持脉冲频率和储能电感的电感量一定的情况下，通过合理选择电路中的各器件参数，可以得到所需的低功率直流电压。
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参考文献
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作者简介：宁晖（1990—），男，硕士研究生。主要研究方向为机电系统检测技术。
党开放（1972—），女，博士，讲师。主要研究方向为机电系统的计算机控制。