?升壓轉換器介紹：結構與設計

什么是升壓轉換器？本文討論了升壓型電壓調節器的主要初始設計任務(wù)，并描述了其結構。

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)調節器的功率級的特性。下一批文章將繼續使用LTspice來(lái)探討開(kāi)關(guān)模式電源的設計和電氣性能，但重點(diǎn)在于降壓轉換器之外的調節器拓撲。

我們將從通常被稱(chēng)為升壓轉換器或升壓調節器的電路開(kāi)始。本文將討論其設計；在未來(lái)的文章中，我們將探討其基本操作，并仔細觀(guān)察電流和電壓波形。

升壓轉換器功率級

正如“升壓”和“升壓”這兩個(gè)名字所暗示的那樣，我們今天討論的拓撲結構可以實(shí)現高于其輸入電壓的輸出電壓。隨著(zhù)效率的提高，開(kāi)關(guān)模式相對于線(xiàn)性調節具有重要優(yōu)勢，因為線(xiàn)性調節不能產(chǎn)生高于VIN的VOUT。

然而，對于開(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(guān)。

?圖1。升壓電路。圖片由Robert Keim提供

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

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

LTspice中使用的升壓轉換器示意圖。

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

是升壓調節器還是升壓轉換器？檢查什么是開(kāi)關(guān)電壓調節器？審查術(shù)語(yǔ)和基本概念。

運行參數和組件值

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

輸入和輸出電壓

升壓轉換器的2.5伏電源提供了我們可以從一對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節的反饋系統相結合的功率級，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。

規定的輸出電壓為5V。我可以想象一個(gè)設備，其中這個(gè)5V直接提供一些較高功率的驅動(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)用于較低功率數字電路和高精度模擬電路的緊湊線(xiàn)性調節器。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)穩定的5V軌道，能夠直接或間接地為系統中的所有組件提供可靠的電源。

工作循環(huán)周期

升壓調節器的輸入電壓、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)。

對于那些沒(méi)有閱讀過(guò)前面文章的人，我要強調我們不能依賴(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)現中，我們將依賴(lài)于閉環(huán)控制來(lái)根據需要調整占空比以維持適當的VOUT。

電感

我使用公式確定了LTspice降壓轉換器的初始電感值。然而，當我嘗試對升壓轉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備中使用的電感值大一個(gè)數量級。

幸運的是，這種計算出的電感對于成功的轉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應用說(shuō)明中的升壓轉換器電感建議，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

因為我選擇了一個(gè)相當小的電感，我也選擇了一個(gè)更高的開(kāi)關(guān)頻率。這是開(kāi)關(guān)調節器設計中的基本關(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，這對于一個(gè)切換器來(lái)說(shuō)相當高，但一點(diǎn)也不不切實(shí)際。

輸出電容值

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

然而，基于我前面描述的應用程序特性，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(xiàn)性調節器，在這種情況下，它將受益于線(xiàn)性調節器的紋波抑制能力。

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

線(xiàn)性調壓閥壓力恢復比

當我們討論這個(gè)話(huà)題時(shí)，線(xiàn)性調節器的紋波抑制能力被測量為PSRR（電源抑制比）。PSRR根據多個(gè)參數波動(dòng)，包括頻率；下圖（圖3）顯示了這種波動(dòng)。

相對于紋波頻率（以赫茲為單位）的PSRR（以分貝為單位測量）曲線(xiàn)圖。它表明，當頻率通過(guò)10kHz的閾值時(shí)，PSRR會(huì )降低并變得不那么穩定。

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

雖然我們在2MHz下仍有大量的衰減，但如果您計劃使用線(xiàn)性調節器來(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。

二極管反向恢復時(shí)間

我們還有一個(gè)參數要討論：轉換器二極管的反向恢復時(shí)間，這對開(kāi)關(guān)調節器尤為重要（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）。

雖然我使用標準二極管作為降壓轉換器，但我選擇肖特基二極管作為升壓轉換器。肖特基二極管通常優(yōu)選用于開(kāi)關(guān)調節器，因為它們更有效地在導通和非導通狀態(tài)之間切換并且在導通時(shí)具有更低的電壓降。

下一篇

我們已經(jīng)閱讀了大量關(guān)于升壓開(kāi)關(guān)調節器功率級初始設計任務(wù)的信息。在下一篇文章中，我們將開(kāi)始討論調節器的實(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，請繼續關(guān)注！