?升壓轉(zhuǎn)換器介紹：結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

什么是升壓轉(zhuǎn)換器？本文討論了升壓型電壓調(diào)節(jié)器的主要初始設(shè)計(jì)任務(wù)，并描述了其結(jié)構(gòu)。

在我的最后一篇系列文章中，LTspice幫助我們研究了降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的功率級(jí)的特性。下一批文章將繼續(xù)使用LTspice來(lái)探討開(kāi)關(guān)模式電源的設(shè)計(jì)和電氣性能，但重點(diǎn)在于降壓轉(zhuǎn)換器之外的調(diào)節(jié)器拓?fù)洹?/p>

我們將從通常被稱(chēng)為升壓轉(zhuǎn)換器或升壓調(diào)節(jié)器的電路開(kāi)始。本文將討論其設(shè)計(jì)；在未來(lái)的文章中，我們將探討其基本操作，并仔細(xì)觀察電流和電壓波形。

升壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)

正如“升壓”和“升壓”這兩個(gè)名字所暗示的那樣，我們今天討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高于其輸入電壓的輸出電壓。隨著效率的提高，開(kāi)關(guān)模式相對(duì)于線性調(diào)節(jié)具有重要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榫€性調(diào)節(jié)不能產(chǎn)生高于VIN的VOUT。

然而，對(duì)于開(kāi)關(guān)模式技術(shù)，我們所需要的只是我們用于降壓轉(zhuǎn)換器的相同簡(jiǎn)單組件的不同布置。圖1展示了這種升壓裝置的外觀。

?圖1。升壓電路。圖片由Robert Keim提供

現(xiàn)在我將為LTspice創(chuàng)建一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。與LTspice降壓轉(zhuǎn)換器一樣，我將使用電壓控制開(kāi)關(guān)而不是晶體管。

我的實(shí)現(xiàn)如下，如圖2所示：它代表了一個(gè)用于低壓、電池供電應(yīng)用的電路，并且我所選擇的值反映了這一點(diǎn)。我將在下一節(jié)中對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的介紹。

LTspice中使用的升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。

?圖2。LTspice中使用的升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。圖片由Robert Keim提供

是升壓調(diào)節(jié)器還是升壓轉(zhuǎn)換器？檢查什么是開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器？審查術(shù)語(yǔ)和基本概念。

運(yùn)行參數(shù)和組件值

在根據(jù)這個(gè)示意圖進(jìn)行模擬之前，讓我們考慮我們的升壓轉(zhuǎn)換器的參數(shù)。

輸入和輸出電壓

升壓轉(zhuǎn)換器的2.5伏電源提供了我們可以從一對(duì)部分放電的堿性硬幣電池中獲得的輸入電壓。然而，與其他開(kāi)關(guān)一樣，完成的電路，即與用于輸出電壓調(diào)節(jié)的反饋系統(tǒng)相結(jié)合的功率級(jí)，將與一系列輸入電壓兼容。因此，相同的電路可以與3V鋰離子硬幣電池或單個(gè)堿性電池組合。

規(guī)定的輸出電壓為5V。我可以想象一個(gè)設(shè)備，其中這個(gè)5V直接提供一些較高功率的驅(qū)動(dòng)電路和連接的傳感器或繼電器模塊，然后5V通過(guò)一個(gè)或多個(gè)用于較低功率數(shù)字電路和高精度模擬電路的緊湊線性調(diào)節(jié)器。我喜歡這種電源管理解決方案：盡管電池電壓逐漸降低，但它為我們提供了一個(gè)穩(wěn)定的5V軌道，能夠直接或間接地為系統(tǒng)中的所有組件提供可靠的電源。

工作循環(huán)周期

升壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓、輸出電壓和占空比之間的理想關(guān)系如下：

我們有VI=2.5 V和VOUT=5 V。由于我不會(huì)故意將非理想性納入我的模擬中，所以我將把效率保持在100%。這為我們提供了50%的工作循環(huán)。

對(duì)于那些沒(méi)有閱讀過(guò)前面文章的人，我要強(qiáng)調(diào)我們不能依賴(lài)于固定的占空比來(lái)產(chǎn)生所需的輸出電壓。上述方程式為我們提供了一個(gè)起點(diǎn)，但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，我們將依賴(lài)于閉環(huán)控制來(lái)根據(jù)需要調(diào)整占空比以維持適當(dāng)?shù)腣OUT。

電感

我使用公式確定了LTspice降壓轉(zhuǎn)換器的初始電感值。然而，當(dāng)我嘗試對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器使用相同的方法時(shí)，我第一次嘗試產(chǎn)生的電感值大約比我更喜歡在緊湊的低壓設(shè)備中使用的電感值大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

幸運(yùn)的是，這種計(jì)算出的電感對(duì)于成功的轉(zhuǎn)換器操作是不必要的：我不是尋找一個(gè)不同的公式，而是選擇了一個(gè)符合我提出的尺寸限制的值，并使用了它。圖2所示的2μH電感基于本Texas Instruments應(yīng)用說(shuō)明中的升壓轉(zhuǎn)換器電感建議，其中也包含最初使用的公式I和其他關(guān)于電感器選擇的有用信息。

開(kāi)關(guān)頻率

因?yàn)槲疫x擇了一個(gè)相當(dāng)小的電感，我也選擇了一個(gè)更高的開(kāi)關(guān)頻率。這是開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中的基本關(guān)系之一：開(kāi)關(guān)頻率越高，電感越低。我有2兆赫的頻率振蕩，這對(duì)于一個(gè)切換器來(lái)說(shuō)相當(dāng)高，但一點(diǎn)也不不切實(shí)際。

輸出電容值

根據(jù)預(yù)期輸出電流（IOUT）、占空比（D）、開(kāi)關(guān)頻率（fOSC）和預(yù)期輸出紋波（ΔVOUT），可以使用以下公式計(jì)算令人滿(mǎn)意的輸出電容：

然而，基于我前面描述的應(yīng)用程序特性，沒(méi)有特別需要保持低紋波。正如我在前面文章中所建議的那樣，該電路也可以連接到線性調(diào)節(jié)器，在這種情況下，它將受益于線性調(diào)節(jié)器的紋波抑制能力。

。和電感一樣，我使用了針對(duì)實(shí)際集成電路的建議，以獲得一個(gè)我認(rèn)為性能和尺寸之間良好折衷的值。

線性調(diào)壓閥壓力恢復(fù)比

當(dāng)我們討論這個(gè)話題時(shí)，線性調(diào)節(jié)器的紋波抑制能力被測(cè)量為PSRR（電源抑制比）。PSRR根據(jù)多個(gè)參數(shù)波動(dòng)，包括頻率；下圖（圖3）顯示了這種波動(dòng)。

相對(duì)于紋波頻率（以赫茲為單位）的PSRR（以分貝為單位測(cè)量）曲線圖。它表明，當(dāng)頻率通過(guò)10kHz的閾值時(shí)，PSRR會(huì)降低并變得不那么穩(wěn)定。

?圖3。相對(duì)紋波頻率的PSRR曲線圖。圖片由得Texas Instruments提供

雖然我們?cè)?MHz下仍有大量的衰減，但如果您計(jì)劃使用線性調(diào)節(jié)器來(lái)降低輸出紋波振幅，則該圖提供了有利于選擇較低開(kāi)關(guān)頻率的論據(jù)。

二極管反向恢復(fù)時(shí)間

我們還有一個(gè)參數(shù)要討論：轉(zhuǎn)換器二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，這對(duì)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器尤為重要（如果您有興趣了解更多信息，本文將為您的電源電路選擇正確的整流器是一個(gè)很好的資源）。

雖然我使用標(biāo)準(zhǔn)二極管作為降壓轉(zhuǎn)換器，但我選擇肖特基二極管作為升壓轉(zhuǎn)換器。肖特基二極管通常優(yōu)選用于開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，因?yàn)樗鼈兏行У卦趯?dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換并且在導(dǎo)通時(shí)具有更低的電壓降。

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我們已經(jīng)閱讀了大量關(guān)于升壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器功率級(jí)初始設(shè)計(jì)任務(wù)的信息。在下一篇文章中，我們將開(kāi)始討論調(diào)節(jié)器的實(shí)際操作-所以，如果您仍然有點(diǎn)困惑于這個(gè)電路實(shí)際上如何生成高于輸入電壓的輸出電壓，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注！