上回我們簡(jiǎn)單介紹了最基本的 boost 升壓電路結(jié)構(gòu)，以及它如何利用電感在電流變化率改變時(shí)電壓極性會(huì)反過(guò)來(lái)的這個(gè)特性，造出比輸入電壓還高的輸出電壓。

這一回我們要繼續(xù)分析這個(gè)電路，看看它的完整運(yùn)作原理。

再看 Boost 升壓結(jié)構(gòu)

Boost 電路中的那個(gè)開關(guān) SW1 在導(dǎo)通時(shí)，會(huì)讓輸入的電流流經(jīng)電感 L1 之后到地，這時(shí)候來(lái)自輸入的能量就以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存在 L1 內(nèi)。

而當(dāng) SW1 斷開時(shí)，因?yàn)殡姼胁辉试S電流不連續(xù)變化的特性，L1 上面的電流會(huì)繼續(xù)朝同一個(gè)方向流動(dòng)：

電感上的電流會(huì)由儲(chǔ)能時(shí)的逐漸增加，變成釋放能量時(shí)的逐漸減少，而電感兩端的電壓與它上面電流的變化率有關(guān)：

V(t)= L * di(t) / dt

因此在電感上的電流由增加變成減少時(shí)，電感上的電壓極性就會(huì)反過(guò)來(lái)。這時(shí)，電感就像一個(gè)跟電源串連在一起的電壓源，圖中 A 點(diǎn)的電壓就變成：

VA=VIN + VL

于是我們就得到一個(gè)比 VIN 還要高的電壓了。

這個(gè)電壓會(huì)透過(guò) D1 對(duì) C1 充電，同時(shí)也會(huì)流向負(fù)載 R1。

再回到對(duì)電感充電的狀態(tài)，此時(shí) SW1 又再度導(dǎo)通，電流流過(guò)電感，經(jīng)由 SW1 到地。

由于 SW1 導(dǎo)通到地，此時(shí) A 點(diǎn)的電壓是 0，這會(huì)讓 D1 進(jìn)入逆偏壓的狀態(tài)而不導(dǎo)通。由于在上一個(gè)狀態(tài)時(shí)，我們已經(jīng)透過(guò) D1 對(duì) C1 充電了，因此這時(shí)雖然沒(méi)有電流繼續(xù)流過(guò) D1，但 C1 里儲(chǔ)存的電荷仍然能繼續(xù)供應(yīng)負(fù)載 R1，因此輸出的電流不會(huì)中斷，而會(huì)由 C1 流出繼續(xù)供應(yīng)。

在 boost 電路中，因?yàn)閬?lái)自前端的電流在開關(guān)導(dǎo)通和斷開之間會(huì)不連續(xù)，D1 和 C1 就構(gòu)成一個(gè)整流和濾波的電路，讓前端在對(duì)電感充電而無(wú)法供應(yīng)電流時(shí)，能持續(xù)對(duì)負(fù)載供電。

在開關(guān)切換的周期間，濾波電容 C1 會(huì)持續(xù)地充電和放電，因此最終的輸出電壓會(huì)帶有一定程度的漣波（ripple）。濾波電容越大，它能儲(chǔ)存的電荷量就越多，在 SW1 導(dǎo)通周期中它能對(duì)負(fù)載輸出的電荷量也就越多，上面的電壓變化就越小，漣波電壓就越小，但因?yàn)榍岸穗娏鞑贿B續(xù)的緣故，交換式電源不可能做到完全沒(méi)有漣波，只能用 C1 濾波電容的大小，將漣波電壓控制在可以接受的范圍內(nèi)。

輸出電壓

我們已經(jīng)知道，因?yàn)殡姼须妷簳?huì)和輸入電壓迭加，讓我們可以得到比輸入電壓更高的輸出電壓。但這個(gè)電壓究竟有多高？

在很多推導(dǎo) boost 電路的教科書或文章中，常?？梢钥吹竭@樣一個(gè)公式，用來(lái)表示輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系：

VOUT/ VIN = 1 / 1 – D

這里的 D 是切換開關(guān) SW1 的工作周期（duty cycle），也就是它導(dǎo)通和斷開的比例。如果 SW1 在整個(gè)周期中導(dǎo)通 30% 的時(shí)間、斷開 70% 的時(shí)間，D 就是 0.3。D 一定介于 0（SW1 完全不導(dǎo)通）和 1（SW1 永遠(yuǎn)導(dǎo)通）之間，由上面那個(gè)公式可以看出，輸出電壓一定大于輸出電壓。

為了避免嚇跑讀者，我在這邊并不打算推導(dǎo)這個(gè)公式，而且這個(gè)公式的推導(dǎo)其實(shí)是在很多限制條件下達(dá)成的，像是電路工作在穩(wěn)態(tài)（輸出、輸入的電壓、電流都不變化），而且電感上的電流不會(huì)降到 0，也就是電感上所儲(chǔ)存的能量還沒(méi)用完就開始下一個(gè)對(duì)電感充電的周期等。在大部分的應(yīng)用中，boost 電壓轉(zhuǎn)換電路都不可能工作在某個(gè)特定不變的穩(wěn)態(tài)，因?yàn)樨?fù)載多半是不斷變化的。

我們聊了這么久的電源，一直都在講「穩(wěn)壓」電源，意思就是電源電路會(huì)不斷監(jiān)測(cè)輸出電壓，調(diào)整自己的工作狀態(tài)，讓輸出電壓維持在一個(gè)穩(wěn)定的目標(biāo)電壓；線性穩(wěn)壓電源電路是如此，交換式穩(wěn)壓電源電路也是如此。

因此，我們可以將前面電路中的 SW1 換成一個(gè)可以用電路控制的開關(guān)，比方說(shuō)像是 MOSFET，再用一個(gè)電路去監(jiān)測(cè)輸出電壓，回頭來(lái)控制這個(gè) MOSFET 開關(guān)。

于是這個(gè)電路就變成這樣：

從上面那個(gè)公式我們可以知道，當(dāng)開關(guān)的 duty cycle D 變大時(shí)，升壓比會(huì)上升。當(dāng)開關(guān)的 duty cycle 變小時(shí)，升壓比會(huì)下降。

因此上圖中的電壓偵測(cè)、控制電路必須隨時(shí)偵測(cè)輸出電壓，并與參考電壓比較。一旦發(fā)現(xiàn)輸出電壓高于參考電壓，就把切換開關(guān)的 duty cycle 調(diào)小；如果發(fā)現(xiàn)輸出電壓低于參考電壓，就把切換開關(guān)的 duty cycle 調(diào)大；如果輸出電壓等于參考電壓，就維持目前的 duty cycle 不變。

這個(gè)過(guò)程其實(shí)跟線性穩(wěn)壓電源的回授控制很像，不同的地方是線性穩(wěn)壓電源的控制電路輸出是用來(lái)調(diào)整穩(wěn)壓晶體管的導(dǎo)通程度，而交換式電源的控制電路輸出是用來(lái)調(diào)整切換開關(guān)的 duty cycle。

如果我們將前面那個(gè)輸入電壓與輸出電壓的公式畫成圖，會(huì)是這樣：

橫軸是切換開關(guān)的 duty cycle，介于 0 和 1 之間，它可以是 0 但不能是 1。如果 duty cycle 是 0，代表切換開關(guān)從來(lái)不導(dǎo)通，電流就一直流過(guò)電感、二極管到輸出，這個(gè)電路自然也就沒(méi)有任何升壓的功能，輸出電壓等于輸入電壓。

Duty cycle 可以非常接近 1，代表切換開關(guān)導(dǎo)通很長(zhǎng)的時(shí)間，斷開很短的時(shí)間，這時(shí)候輸出電壓與輸入電壓的比值會(huì)非常高，boost 電路的升壓比會(huì)很大。

從上圖可以看出來(lái)，因?yàn)?D 在式子的分母，duty cycle 與升壓比之間的關(guān)系并不是線性的，而是呈現(xiàn)雙曲線的關(guān)系。當(dāng) D 接近 1 時(shí)，升壓比會(huì)快速上升，因此當(dāng) D 很大時(shí)，只要 D 變動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，輸出電壓就會(huì)變動(dòng)很大，這對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不易控制的區(qū)間。

因此實(shí)務(wù)上我們?cè)O(shè)計(jì) boost 升壓電路時(shí)，大致上會(huì)將輸出電壓和輸入電壓之間的比值限制在 10 以內(nèi)，再上去的話，回授和控制電路就會(huì)變得很不穩(wěn)定、很難控制。

除了控制電路的限制外，實(shí)務(wù)上在設(shè)計(jì) boost 電路時(shí)，升壓比也會(huì)受到零件選擇的一些限制，比方說(shuō)電感的大小、濾波電容的大小、MOSFET 的耐電流等。我們?cè)谥蠼榻B實(shí)際電路時(shí)會(huì)再說(shuō)明這些限制。

小結(jié)

這一次我們將 boost 升壓電路的工作原理說(shuō)明完了，也解釋了如何用切換開關(guān)的 duty cycle 控制輸入與輸出電壓之間的關(guān)系，以及要做到穩(wěn)壓輸出時(shí)，回授電路該如何控制切換開關(guān)。

下一回我們會(huì)開始用實(shí)際的 boost 電源 IC 來(lái)說(shuō)明真實(shí)應(yīng)用中的 boost 電路該如何設(shè)計(jì)，零件該如何選擇，以及電路設(shè)計(jì)上有什么該注意的地方。

審核編輯：湯梓紅

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