?了解升壓轉(zhuǎn)換器的操作

了解升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器如何產(chǎn)生高于其輸入電壓的輸出電壓。

在上一篇文章中，我們研究了升壓轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖1）。

升壓轉(zhuǎn)換器通用拓?fù)鋱D。

?圖1。通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

然后我們完成了一個(gè)設(shè)計(jì)程序，其中我們配置了用于混合信號(hào)電池供電設(shè)備的模擬升壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。圖2展示了我們創(chuàng)建的特定于應(yīng)用程序的LTspice實(shí)現(xiàn)。

升壓轉(zhuǎn)換器LTSpice示意圖。

?圖2。LTspice中使用的升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。

在本文中，我們將使用相同的電路來(lái)探討使升壓轉(zhuǎn)換成為可能的電氣行為。

開關(guān)接通狀態(tài)

與降壓變換器一樣，升壓轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)基本操作狀態(tài)：一個(gè)是當(dāng)電源開關(guān)閉合時(shí)（接通狀態(tài)），另一個(gè)是當(dāng)電源開關(guān)打開時(shí)（斷開狀態(tài)）。讓我們從接通狀態(tài)開始。

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，來(lái)自輸入電源的電流被分流至接地。它流過(guò)電感器，流過(guò)開關(guān)，然后流入接地節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。不通過(guò)二極管或到達(dá)電容器。在此期間，電感器的電流上升，電感器“充電”，這意味著其磁場(chǎng)的能量含量增加。

顯示處于接通狀態(tài)的升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖，電源電流路徑由綠色箭頭表示。

?圖3。接通狀態(tài)下通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器的電源電流路徑。

同時(shí)，負(fù)載電路需要一致的電流供應(yīng)：為了使圖表更加完整，我們需要包括負(fù)載電流（圖4）。如圖所示，電容器在接通狀態(tài)下放電并提供負(fù)載電流。

升壓轉(zhuǎn)換器處于接通狀態(tài)的示意圖，電源電流和負(fù)載電流的路徑由綠色箭頭表示。

?圖4。升壓轉(zhuǎn)換器處于接通狀態(tài)。電源電流和負(fù)載電流均以綠色表示。

電感器正在充電，電容器正在放電，二極管由于反向偏置而阻斷了兩個(gè)方向的電流。

但是我們?cè)趺粗蓝O管是反向偏置的呢？關(guān)鍵觀察是閉合開關(guān)的阻抗非常低：因此VSW節(jié)點(diǎn)處的電壓將接近0V。由于輸出電壓高于0V，二極管反向偏置，并且只要開關(guān)導(dǎo)通，就沒(méi)有電流流過(guò)。

認(rèn)識(shí)到二極管在開關(guān)循環(huán)的這一部分是開路強(qiáng)調(diào)了輸出電容器的重要性，輸出電容器是唯一可用于在開關(guān)接通時(shí)維持輸出電壓和傳輸負(fù)載電流的部件。還值得注意的是，二極管防止輸出電壓通過(guò)閉合開關(guān)將電流驅(qū)動(dòng)回地。

關(guān)閉狀態(tài)

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電流流過(guò)電感器，我們知道電感的性質(zhì)是抵抗電流變化。因此，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感器電流將繼續(xù)流動(dòng)，采用唯一合理的可用路徑：二極管。

在迫使其電流通過(guò)二極管的過(guò)程中，電感器必須提高節(jié)點(diǎn)VSW處的電壓，直到二極管被正向偏置為止。為此，電感器必須產(chǎn)生至少等于（VOUT+VF）的VSW電壓，其中VF表示二極管的正向電壓。因此，電感器的右側(cè)端子處的電壓將大于VOUT以及大于VIN。

一旦二極管兩端的電壓足以導(dǎo)通，電流將從電源流過(guò)電感器和二極管，然后流入電容器和負(fù)載（圖5）。

處于斷開狀態(tài)的升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖，其中電流由綠色箭頭表示。

?圖5。開關(guān)斷開狀態(tài)下流過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

實(shí)現(xiàn)提升

電容器的充電電壓可超過(guò)系統(tǒng)中的電源電壓。從與電容器的電容（C）、存儲(chǔ)電荷（Q）和電壓（V）相關(guān)的方程式中可以明顯看出這一點(diǎn)：

如果把更多的電荷加到電容器的極板上，電壓就會(huì)上升。這個(gè)方程式中沒(méi)有任何內(nèi)容表明當(dāng)你接近系統(tǒng)的電源電壓時(shí)，電壓會(huì)變平。

然而，我們還需要考慮其他電氣定律，并且電容器的電壓通常不會(huì)增加到超過(guò)電源電壓。電容器的電壓自然地在用于將電荷驅(qū)動(dòng)到其極板上的電壓下變平。

為了成功地將電容器電壓增加到驅(qū)動(dòng)電壓之外，我們需要將電荷“泵”入電容器中，并防止電荷回流到源中。升壓轉(zhuǎn)換器的二極管起到電流單向閥的作用，提供了兩個(gè)動(dòng)作：

電感器電流可流過(guò)二極管，并將電容器充電至高于VIN的電壓。

電容器不能通過(guò)電感器放電回電源，因?yàn)槎O管防止電流在該方向流動(dòng)。

圖6以綠色顯示了來(lái)自電感器的電流，以紅色顯示了來(lái)自電容器的電流。

升壓轉(zhuǎn)換器處于關(guān)斷狀態(tài)的示意圖，其中從電感器到電容器的電流由綠色箭頭表示，從電容器朝向電感器的電流由紅色箭頭表示。紅色箭頭未到達(dá)電感器，而是停在二極管處。

?圖6。二極管允許電流從電感器流向電容器，但不允許電流從電感器流向電容器。

簡(jiǎn)而言之，升壓轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在電感器的磁場(chǎng)中，然后以這樣的方式將能量傳輸?shù)诫娙萜?，使得電容器的電壓能夠增加超過(guò)向電感器提供能量的源的電壓。

下一篇

我希望本文能夠幫助您了解升壓轉(zhuǎn)換器中的組件如何共同工作以產(chǎn)生高于其輸入電壓的調(diào)節(jié)輸出電壓。在下一篇文章中，我們將使用模擬的電壓和電流波形來(lái)更全面地研究這個(gè)電路。