充分發(fā)揮升壓轉(zhuǎn)換器的升壓性能

升壓轉(zhuǎn)換器可通過較低的輸入電壓提供較高的輸出電壓。要使“升壓”達(dá)到理想效果，需要盡可能提高工作占空比。

升壓控制器對(duì)其最大連續(xù)占空比有一個(gè)限制，此占空比通常在較低開關(guān)頻率時(shí)為最高。如果超過此最大占空比，則會(huì)發(fā)生脈沖跳躍，這通常會(huì)造成不利影響，應(yīng)予以避免。許多控制器的最大占空比在 80% 至 90% 之間，如果它們以極低的開關(guān)頻率運(yùn)行，占空比可能會(huì)增加幾個(gè)百分點(diǎn)。低開關(guān)頻率需要更大的元件和更大的電路板面積。但即使在低開關(guān)頻率下工作，也可能無法獲得足夠的升壓。那么要怎么做呢？

圖 1 展示了傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的簡(jiǎn)化版原理圖。它的主要優(yōu)勢(shì)在于元件數(shù)量少，具有標(biāo)準(zhǔn)電感器，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的低側(cè)升壓控制器。然而，該基礎(chǔ)升壓的一個(gè)關(guān)鍵限制是，假設(shè)最大占空比為 90%，它只能提供 10:1 的最大升壓比。如果您需要更大的升壓，可以嘗試將反激式或升壓轉(zhuǎn)換器與倍增電荷泵搭配使用。 添加到升壓裝置的電荷泵適用于低輸出電流，但需要額外元件才能實(shí)現(xiàn)。反激式拓?fù)湟彩且环N合理的解決方案。但是，存在一種更簡(jiǎn)單的解決方案，其中的變壓器引腳更少，匝數(shù)比更低且漏電感更低。

圖 2 展示了自動(dòng)變壓器升壓轉(zhuǎn)換器。它同芯串聯(lián)了兩個(gè)繞組，充當(dāng)無隔離的變壓器。與反激式相比，將初級(jí)繞組與次級(jí)繞組串聯(lián)可降低所需的匝數(shù)比，同時(shí)所需的引腳也較少。

圖 2 自動(dòng)變壓器升壓轉(zhuǎn)換器提供比傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器更高的輸出電壓。

方程式 1 表示對(duì)于給定的 Vin、Vout 和 n2/n1 匝數(shù)比，在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下運(yùn)行的占空比（忽略場(chǎng)效應(yīng)晶體管 [FET] 和電流檢測(cè)電阻器壓降）：

您可以看到，n2/n1 匝數(shù)比大時(shí)，占空比會(huì)降低。這有利于提供更高的輸出電壓。方程式 2 求解 Vout 的表達(dá)式：

您可以看到，如果 n2/n1 = 0，則表達(dá)式與傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的表達(dá)式相同。因此，對(duì)于非零 n2/n1 匝數(shù)比，Vout 會(huì)增加額外的數(shù)量，等于 (n2/n1)*Vin*d/(1-d)，因此輸出電壓可能會(huì)高得多。

圖 3 繪制了在多個(gè) n2/n1 匝數(shù)比（包括零，對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)升壓）下的升壓比、Vout/Vin 與占空比用于比較。占空比為 90% 時(shí)，傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的比率為 10，而 n2/n1 = 1 時(shí)的比率為 19，因此可以達(dá)到輸出電壓的近兩倍。您可以使用標(biāo)準(zhǔn)耦合電感器輕松實(shí)現(xiàn) 1:1 n2/n1 的比率，其中許多電感器都是現(xiàn)成的。較大的匝數(shù)比可提供明顯更高的輸出電壓。

圖 3 抽頭電感器可減小占空比并實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓。

您通常會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格了解升壓比。最大實(shí)際占空比由所選的控制器和所需的開關(guān)頻率決定。圖 4 展示了如何輕松確定所需的匝數(shù)比。例如，假設(shè)您需要從 10V 輸入提供 250V 輸出，并希望將最大占空比限制為 80%。選擇 250V/10V = 25 的升壓比，然后按照藍(lán)色曲線 (d = 0.8) 進(jìn)行計(jì)算；所需的 n2/n1 為 5。

方程式 3 展示了 FET 在關(guān)斷時(shí)的電壓應(yīng)力，方程式 4 展示了整流器反向電壓應(yīng)力：

對(duì)于上面的設(shè)計(jì)示例，F(xiàn)ET 和整流器電壓應(yīng)力分別為 50V 和 300V。FET 電壓應(yīng)力大大低于傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器，傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的電壓應(yīng)力大約為 250V。由于會(huì)出現(xiàn)漏電感，因此可能需要使用電阻-電容緩沖器來減少振鈴。

圖 4 通過選擇升壓比率和最大占空比來確定所需的匝數(shù)比。

在 CCM 升壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變壓器具有多種優(yōu)勢(shì)。只需添加一個(gè)繞組，即可使輸出電壓升高至超過傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的水平。它可減小工作占空比，從而實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率、更小的元件尺寸和更低的 FET 電壓。更小的占空比也可以提供更廣泛的控制器選擇，以前在傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)施時(shí)，這些控制器無法以足夠高的占空比運(yùn)行。