轻松入门学电源（2）：BOOST升压变换器，电感感应电压和输入电压叠加、实现电压提升

由 cathy 提交于周一, 2 四月 2018 - 13:51

将二个电压叠加就实现的电压的提升，这就是升压变换器的基本原理。

使用储能元件从输入电源获取能量得到一个电压，然后将它和输入电压顺向串联，就可以实现升压功能。电容和电感是二种常用的储能元件，如果使用电容实现这个功能，这种升压变换器称为电容充电泵；如果使用电感实现这个功能，这种升压变换器称为BOOST变换器。另外，也可以将直流电压变为交流，然后使用高频变压器升压，如反激、正激、推挽、半桥和全桥等电源结构。本文只讨论前面二种结构的演变过程。

1、电感BOOST变换器

输入电压Vin加到电感两端，电感激磁并将能量储存在电感中，电感和输入电压断开后，电感的电流不能突变：L•di/dt=Vin，电感中变化的电流产生感应电压，感应电压的方向右正左负，如图1所示。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38448-d1.j…; alt=“图1：电感激磁储能” width="600"></center><center>图1：电感激磁储能</center>

将感应电压的负端连接到输入电压的正端，也就是电感的感应电压和输入电压顺向串联，感应电压的正端就可以得到高于输入电压的电压，从而实现电压的抬升。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38449-d2.j…; alt=“图2：电感和输入电压顺向叠加” width="600"></center><center>图2：电感和输入电压顺向叠加</center>

图中的A点，当电感激磁储能时，其连接到输入电源的地；当电感的感应电压叠加到输入电压时，其连接到输出端，A点是一个动点，有时连接到地，有时连接到输出，因此，A点和地、输出之间，需要各加一个可以进行连通和断开的开关元件，实现这个功能。

（1）将功率MOSFET连接在A点和输入电源的地之间，如图3所示，就可以实现上面的功能。这个开关管导通时，电感激磁储能，因此，称之为主功率MOSFET。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38450-d3.j…; alt=“图3：电感和地的控制开关” width="600"></center><center>图3：电感和地的控制开关</center>

（2）将另一个功率MOSFET连接在A点和输出之间，同样也实现上面的功能。

注意到电感的感应电压叠加到输入电压时，电感是去磁、释放能量的过程，A点和输出之间流过的是电感去磁产生的被动的单向电流，因此也可以用一个具有单向导电性的二极管，来代替功率MOSFET，如图4所示。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38451-d4.j…; alt=“图4：电感和输出的控制开关” width="600"></center><center>图4：电感和输出的控制开关</center>

电感去磁产生的感应电压和输入电压顺向叠加，实现升压的功能；电感的动点和地之间插入主功率MOSFET，电感的动点和输出之间插入隔离二极管，就组成了基本的BOOST变换器。输出二极管换成功率MOSFET，称之为同步BOOST变换器，实现更高的效率。

输出电压加入反馈调节，同时加入过流、过温、过压、欠压、软起动等一些保护功能去控制BOOST变换器主电路，就构成BOOST变换器的控制芯片。如果将主功率MOSFET、输出二极管或同步MOSFET也集成到芯片里面，就构成单芯片BOOST变换器。

2、电容充电泵

电容充电泵原理如图5所示，K1、K2开通，输入电源给电容Cs充电；然后K1、K2断开，将电容Cs的负端通过K4连接到输入电源的正端，电容Cs的正端通过K3连接到输出，这样电容Cs的电压就叠加在输入电压上，从而实现电压的提升。通过多级充电泵的叠加，可以得到更高的电压。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38452-d5.j…; alt=“图5：电容充电泵原理” width="600"></center><center>图5：电容充电泵原理</center>

3、DCDC变换器中的升压、负压充电泵

BOOST变换器的开关节点SW（A点）的电压在0、Vo之间相互切换，是一个电压浮动点、动点，那么意味着可以用SW这个电压浮动点，组成电容充电泵，实现另一路高压或负压的输出，电路结构和工作原理如图6所示。

（1）MOSFET导通：电容C1连接到SW点，SW的电压为0，使用稳定的电压如Vo，给电容C1充电，就可以将C1的电压充到Vo。

（2）MOSFET关断，D1导通：SW的电压升高为Vo，C1的A点电压相对于地抬升到2*Vo。

其中，D2、D3具有单向导电性，起导通和隔离作用。同样的方法，可以通过多级充电泵，实现更高的输出。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38453-d6.j…; alt=“(a) 充电泵原理” width="600"></center><center>(a) 充电泵原理</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38454-d7.j…; alt=“(b) 多级充电泵” width="600"></center><center>(b) 多级充电泵</center><center>图6：BOOST变换器组成充电泵</center>

使用充电泵还可以得到负压输出，如图7所示。

（1）D1导通，SW的电压为Vo，Vo通过C1、D1，将C1的电压充到Vo，C1上正下负。

（2）MOSFET导通，SW的电压为0，C1的上端电压0，下端A点电压为-Vo，D3导通，输出负电压。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-04/wen_zhang_/100010921-38455-d8.j…; alt=“图7：BOOST变换器组成负压充电泵” ></center><center>图7：BOOST变换器组成负压充电泵</center>

从上面的分析可以知道，DCDC变换器中所有的电压浮动点，都可以用同样的方式得到充电泵，如BUCK变换器的开关节点，从而实现多路的输出。充电泵电路输出电压没有反馈，负载和线性调整率差，合适于小电流输出的应用，输出可以加稳压管或三端稳压器提高输出稳定度。

BUCK、BOOST变换器的电感所加的电压为交流电压，也可以在BUCK、BOOST变换器的电感多加一个绕组，得到另外一组输出电压，第二绕组工作方式可以是反激也可以是正激，其输出电压可以为正也可以为负。

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