电压升压

任何曾经接触过电子产品的人都知道市场上额定电压的范围有多广。例如，在计算机内部至少有三种不同的电压供电线路:12v, 5V和3.3 V。之所以需要它们，是因为不同部件(如处理器、风扇和硬盘)的额定电压本质上是不同的:它们随着应用、品牌和型号的不同而不同。在这种情况下，电压转换系统是基础。它们的工作是将输入电压(例如，主线)转换为可由组件使用的直流值。改变供给水平是容易的部分;问题是要以一种有效的方式来实现，这就是为什么有这么多的电源转换器拓扑结构。在本文中，我们将讨论电压升压，或简称为boost。该电路是一种开关模式电源(SMPS)，能够输出高于其输入的电压，其实际值由控制信号的占空比确定。我们将介绍升压器的基本概念、工作模式和一些设计准则，而不太深入电路的数学。

基本概念

开关模式电源(SSPS)是将开关器件(通常是场效应晶体管)与无功元件(如电感和电容器)结合起来的电路，以有效地转换电压值。它们的设计是为了避免任何阻性元件，可能会导致功率损失。通过控制功率的通量，可以调整输出电压，就像开/关泵系统可以设置容器中的水位一样。这种控制是通过开关信号的占空比来实现的，开关信号被用来驱动晶体管。为了更好地理解boost背后的机制，让我们看看图1中的电路。

图1:基本升压变换器

有几种方法可以分析这个电路。现在，我们将专注于稳态运行，为了简单起见，我们将忽略暂态周期。操作可分为开、关两种状态。当开关打开时，我们得到以下电路:

图2:Switch ON状态

在这种状态下，输入电压源将能量传递给电感器，以磁场的形式存储。电感的特征方程表明电压与电流的导数成正比，因此电感电流是一个斜坡，其斜率由电感和输入电压定义。同时，二极管是反向极化的，因此它隔离了电感与负载。电容器负责维持输出电压。当我们分析稳态运行时，我们认为电容器已经充满电。在ON期间，电容器放电，其斜率与RC时间常数成正比。因此，电压纹波与功率需求、电容和ON周期成正比。负载上的电压值简单地为:

Vload = Vc

后t_在时，控制信号打开开关，产生如下电路。

图3:切换OFF状态

储存在电感磁场中的能量防止电流突然变化，因此其两端的电压立即反转和缩放，以保持电流的值和方向。此时，负载之间的电位差等于:

Vload = Vin + Vl - Vd

在这一阶段，存储的磁能将被放电，电感电流将下降，其斜率与输入和输出电压之间的差成正比。电容器将被该电流的一部分充电，从前一阶段恢复初始电压。后t_从周期结束，电路回到图2。然后我们可以定性地陈述如下:

• 为了获得高于输入的电压，升压变换器利用了不允许电流突然变化的电感特性;
• 开关在状态用于给电感器充电，将能量传递到磁场中;
• 利用电容和二极管来保持输出电压值的低纹波在状态;
• 的从状态将能量从电感器传递到负载。为了保持电流值，电感上的电压差反转其极性并增加输入电压，提高总电平。
• 结合V_在+V_l还充电电容器期间从

操作模式

连续模式

升压变换器可以以两种不同的方式工作:连续模式和不连续模式。在连续导通模式(CCM)下，输出功率为t_从周期小到足以防止电感电流达到零。图4显示了连续运行时的电流波形。

图4:连续模式下的Boost操作

在连续模式下操作有几个优点(和缺点)。第一个优点是计算简单:输出电压可以通过简单地考虑电感上的直流电压必须为0来评估(否则，电流将无限增长)。使用这个推理，并考虑纹波非常低，以便输出电压可以被认为是直流，我们发现以下公式:

现在，考虑一个固定的开关频率f_年代，让我们用占空比(D =t_在/ t_年代)为自变量:

因此，在连续模式下，输出电压可以通过使用上述公式控制占空比。例如，使用占空比为50%时，输出电压是输入电压的两倍。注意到V_出与占空比成正比，说明方程是高度非线性的。我们可以重新排列方程，为给定的输出电压设计占空比:

不连续模式

如果在系统切换状态之前电感电流达到零，则电路进入断续模式(DCM)。这种状态更难分析，因为在电流达到零和开关之间的“死区”周期也依赖于占空比。因此，电压计算过程完全不同。

图5:助力器在间断模式下工作

为了避免过于深入数学，这不是本文的目的，我们将把传递函数的推导留给读者。提示:从电感电流计算平均二极管电流。平均二极管电流等于平均负载电流，因为直流电容器电流在稳态必须为零。间断模式下升压器输出电压为:

注意，这个方程比连续的情况要复杂得多。首先，与占空比的关系是二次的。其次，输出电压取决于几个不同的参数除了D:电感l，输入电压，整流周期t_年代，输出电流我_O．

连续与不连续

两种模式都可以使用，但是连续模式比不连续模式有几个优点。首先，传递函数更简单，只依赖于占空比。另一方面，DCM传递函数很大程度上取决于元件值以及负载需求，这在开环操作中是不需要的。此外，较高的电流纹波也增加了输出噪声和元件的电流努力。然而，DCM提供了更低的换相损耗，因为ON开关是在零电流下进行的，而且电感更小，因为DCM的最大电感低于CCM所需的最小L。此外，由于CCM的非最小相位动态，DCM动态在闭环运行中提供了更好的稳定性。

设计注意事项

电感器

电感值控制电流纹波。如前所述，通过选择合适的电感器，甚至可以在CCM和DCM之间进行选择。因此，升压变换器中所需的电感值由所需的电流纹波来定义。通过分析图4中电流波形的第一个斜率，我们得到如下公式:

通过隔离l我们找到所需的电感器:

除了电感，元件还必须承受所需的电流。使用最大有效值电流来选择线规。此外，电感损耗必须最小化，以最大限度地提高效率。

电容器

电容器控制电路的输出电压纹波，类似于电感控制电流纹波。通过计算电容电流，可以得到电压纹波与电容的关系。这个电流等于二极管电流减去平均二极管电流。通过对充电/放电电流进行积分来获得充电变化，就可以得到电压变化(纹波)。电压纹波为:

通过隔离电容，我们得到:

因此，如果设计时要求有一定的电压纹波带负载值R_O时，电容由上式定义。注意，通过增加频率或减小占空比，电容器的值会减小。除了电压纹波外，电容器还必须承受输出电压。此外，寄生电阻应尽量小，以避免损耗和复杂的动力学，因此应选择低ESR的电容器。

开关

开关是升压变换器的心脏，所以要特别注意。首先，最大电流应支持电感峰值电流(高出两到三倍)，而额定电压应高于最大输出电压(大约高出1.5倍)。其次，快速的开关速度提高了设备的动态性和效率，因此需要快速的开关时间。效率也随着ON电阻的减小而提高。功率mosfet以其低串联电阻而闻名，因此它们是一个很好的选择。然而，输入和输出电容都增加了换相损耗，具有小ON电阻的mosfet通常具有大电容。因此，在选择组件之前必须进行权衡。此外，大的电容意味着高的门电流，这影响了驱动电路。

二极管

在升压变换器中，需要低前向降压和快速启动时间，以减少传导损失和改善动态。肖特基二极管是一个很好的选择。最大重复电流应高于电感峰值电流，而平均额定电流应考虑二极管传导过程中电流的平均值。此外，最大反向电压必须高于所需输出电压减去输入。寄生元件，如ON电阻和电容，以及反向恢复电流应尽量减少。

同步提高

同步升压变换器是简单升压的一种变体，它用互补开关取代了二极管。在ON状态下，同步开关打开，将负载从电感隔离开来，类似于反向偏置的二极管。在OFF状态下，同步开关关闭，作为正向偏置的二极管。这种改进的主要优点是减少了传导耗散。二极管的导通损耗是由正向电压V引起的_D，通常为0.7 V，但可以降低到0.2 V。另一方面，开关有一个on电阻，顺序为mΩ。这大大降低了传导损失在大电流应用。然而，由于互补控制，复杂性增加了，这也必须防止两个开关同时处于ON状态。

图6:同步升压变换器