今天我們一起來學(xué)習(xí)升壓型（Boost or Step-up）開關(guān)電源。

原理

讓我們從下面的這個(gè)經(jīng)典升壓型開關(guān)電源電路開始：

經(jīng)典開關(guān)電源電路

實(shí)際應(yīng)用中圖中的開關(guān)一般是場(chǎng)效應(yīng)管，但為了簡(jiǎn)單和好理解起見，我們用通用開關(guān)符號(hào)替代。

假設(shè)開始時(shí)的開關(guān)是斷開的，電流從 10 伏電源流過電感、流過二極管，然后給電容充電。二極管兩側(cè)會(huì)有一個(gè)小小的壓降，我們假設(shè)它是 0.5 伏。因此，輸出電容被充電到 9.5 伏。到目前為止，我們還是在降低電壓，且讓我們耐心點(diǎn)。

開關(guān)斷開，電容充電

下一步，閉合開關(guān)。二極管會(huì)阻止電容放電。因此，輸出電壓維持在 9.5 伏：

開關(guān)閉合，電壓保持

但是，現(xiàn)在我們有一個(gè)從輸入電壓經(jīng)過電感到地的電流通路：

電流通路

如果我們一直將開關(guān)閉合，我們基本上是在通過電感將輸入短路。那樣的話，一些很不好的事情將會(huì)發(fā)生。

電感被燒掉

我們可不想那么做。我們只是在極短的時(shí)間內(nèi)閉合電感。我們僅僅閉合開關(guān)一小段時(shí)間，以便剛好足夠一些電流流過電感。當(dāng)我們這樣做時(shí)，我們是在將電能以磁能的形式存儲(chǔ)在電感中。

現(xiàn)在我們?cè)陔姼兄幸噪姶拍艿男问酱鎯?chǔ)了一些能量，我們迅速地?cái)嚅_開關(guān)。

迅速斷開開關(guān)

因?yàn)殡姼兄械碾娏鞑粫?huì)突然改變，電流只能繼續(xù)流過電感、流過二極管，然后流入輸出電容。也就是說，能量從電感傳遞到電容。隨著電感中磁場(chǎng)的崩塌，電容兩端的電壓被升高了。要注意，電子的流動(dòng)方向是和傳統(tǒng)電流方向相反的，圖中電感的左側(cè)會(huì)因?yàn)殡娏髁鲃?dòng)而積累負(fù)電荷，相應(yīng)的，右側(cè)就會(huì)因?yàn)殡娮恿鞒龆霈F(xiàn)高電壓。我們的升壓轉(zhuǎn)換器（Boost Converter）現(xiàn)在已經(jīng)提高了電壓：

迅速斷開開關(guān) 電壓升高

前面說過，我們不希望閉合開關(guān)的時(shí)間太長(zhǎng)，因?yàn)闀r(shí)間太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致短路。因此，我們用一個(gè)高頻的方波（Pulse Width Modulated) 來控制開關(guān)的閉合和斷開：

高頻方波控制

通過增加控制方波的占空比，可以加快電容兩端電壓抬升的速度，進(jìn)而提高輸出電壓。但是, 你如何知道輸出電壓到底是多少呢？課本中可能會(huì)看到這個(gè)公式（duty cycle 是指占空比）：

不管用的公式

這個(gè)公式只在電流很小的時(shí)候管用，在實(shí)際電路中，輸出電壓輸出電壓和方波占空比、電感的大小、開關(guān)速度、輸出電路等等都相關(guān)。因此，同降壓型（Buck）開關(guān)電源一樣，如果我們希望建立一個(gè)真實(shí)有用的升壓電源，我們需用一個(gè)一站式控制芯片。該芯片可以自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方波的占空比，以確保一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。

一站式解決方案

我們使用凌力爾特（Linear Technology）的LT1370這款芯片來制作升壓型開關(guān)電源：

50瓦電源

電源的輸入和輸出端都接入了電解電容和陶瓷電容，以濾除電流中的高頻信號(hào)。這是一種開關(guān)電源的常見做法：

濾波電容

為了提高轉(zhuǎn)換效率，我們使用肖特基二極管，正向壓降越低越好：

肖特基二極管

下面是可提供最大輸出為 30 伏的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)：

反饋電阻

Vout 在可調(diào)電阻為最大值（10k）時(shí)最大:

下面是一些新花樣，這些器件用于控制回路頻率補(bǔ)償，基本上，它們幫助控制器適應(yīng)輸出電壓的微小變化，以輸出干凈的直流電:

頻率補(bǔ)償

學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路需要大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制理論知識(shí)，本文不做討論。好消息是，大多數(shù)時(shí)候您只需使用芯片數(shù)據(jù)表（datasheet）中的推薦值，您的電路就會(huì)跑起來。

穩(wěn)定回路的方法

焊起來

從把帶有散熱片的主控芯片焊接到洞洞板的中間開始，周圍留下足夠空間，以放置其他器件。保持元件連線短且焊錫足夠粗。

再焊接上輸出電容：

再焊接上反饋電阻，連線越短越好：

最后，在靠近輸入的地方焊接上頻率補(bǔ)償電阻和電容，引腳 3 和 6 懸空即可：

讓我們看看板子的底部。請(qǐng)注意我如何安排組件，以便我可以從輸入到輸出有一個(gè)簡(jiǎn)單的連續(xù)接地。

我將陶瓷輸入濾波電容直接焊接在控制器的輸入引腳上。陶瓷輸出濾波電容和輸出電解電容平行。

跑起來

現(xiàn)在如果你給設(shè)備上電，可以將輸入電壓提高到 30 伏。

可以提高到 30 伏

它只能輸出大約 50 瓦的功率，否則設(shè)備會(huì)過熱。它的輸入電流限制在 5 安培。注意我說的是輸入電流限制，而不是輸出電流限制。比如我們的電源輸出 12 伏電壓，輸出電流為 1安培。因此輸出功率為 12 瓦。

當(dāng)我用 5 伏直流電作為其輸入時(shí)，它的電流達(dá)到 2.99 安培：

也就是說，輸入電流高于輸出電流。這是因?yàn)槲覀儾荒軕{空創(chuàng)造出能量。為了提高輸出電壓，我們不得不從輸入攫取更多的電流。總體而言，我們的升壓開關(guān)電源能達(dá)到 80% 的效率。

最后，值得注意的是，出于安全原因，電路的設(shè)計(jì)限制為 30 伏輸出，但來自大電容器的 30 伏輸出也會(huì)造成一些損壞。

審核編輯：劉清