如何克服升壓轉換器本身的限制

人們使用升壓轉換器，從低輸入電壓生成高輸出電壓。使用開關穩(wěn)壓器和升壓拓撲可以輕松實現(xiàn)這種電壓轉換。但是，電壓增益本身存在限制。電壓增益是輸出電壓與輸入電壓的比值。如果從12V輸入電壓生成24V輸出電壓，電壓增益為2。

以一個工業(yè)應用為例，需要從24V電源電壓生成300V輸出電壓，輸出電流為160mA。

圖1 升壓轉換器電路

還可以使用占空比來表示電壓增益：

占空比和電壓增益是升壓轉換器的主要參數(shù)。占空比表示在每個周期中，開關S開啟的時長。電壓增益表示輸出電壓超出輸入電壓的比例（因數(shù)）。

為了生成高電壓，占空比數(shù)值會增大到接近于1，但不會達到1。

選擇具有較高的最大占空比的升壓轉換器，似乎可以從低電源電壓生成高輸出電壓。但是，這不是唯一的決定因素。除了占空比限制，還必須考慮可能達到的最大電壓增益。

電壓增益是升壓轉換器可能實現(xiàn)的最大輸出電壓與可用的輸入電壓的比值。可以這樣理解升壓轉換器本身的限制：在使用升壓轉換器時，所有電能從輸入端傳輸?shù)捷敵龆藭r，必須先暫時存儲起來。在開啟期間，也就是，在圖1中的開關S開啟期間，電能將暫時存儲在電感L中。此時，圖1中的二極管D會阻斷電流流動。

在關閉期間，電感L中暫時存儲的電能會放電。電感充電和放電都必須遵循電感規(guī)則。在每種情況下，電流由電感值和電感兩端的電壓差決定。電感兩端的電壓可以簡單描述為：充電期間為VIN，關閉期間為VOUT - VIN。

電壓增益較高時，關閉時間可能不夠長，導致電感中暫時存儲的電能無法完全放電。因此，公式1中描述占空比的簡化公式無法表述這種限制。只有同時考慮電感的直流電阻(DCR)和負載電阻時，最大電壓增益公式才算成立。參見公式2：

所以，R_L和R_LOAD的比值會影響可能的輸入和輸出電壓之間的比值，進而影響升壓轉換器的電壓增益。該電壓增益可以如圖所示。圖2所示的示例中，輸入電壓為24V，輸出電壓為300V，電流為160mA，負載電阻為1.8kΩ，電感RL的DCR為3Ω。

圖2 當負載電阻高達電感DCR (RL)的600倍時可能實現(xiàn)的電壓增益

在該示例中，圖2顯示電壓增益可能達到約12.5（根據(jù)公式2演算得出）。但是，如果負載電阻降低（即：輸出電流增高），或者電感的DCR (RL)增高（即：電感尺寸減小），將會無法實現(xiàn)要求的電壓增益。

圖3顯示負載電阻和電感電阻的比值為300時的電壓增益曲線。此時，選擇RL為6Ω，負載電阻為1.8kΩ。

圖3 當負載電阻高達電感DCR的300倍時可能實現(xiàn)的電壓增益

圖3顯示，在這種情況下，最大電壓增益僅為9。所以，無法將24V輸入電壓轉換為300V輸出電壓。所選的DCR，或者電感的RL太高了。

總之，在設計采用升壓拓撲的電路時，務必要確定可能達到的最大電壓增益。需要注意，它取決于負載電阻（也就是輸出電流）和電感的DCR。如果情況顯示似乎無法達到所需的電壓增益，可以選擇具有更低DCR的更大電感。 

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Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

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Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務，曾擔任各種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開關模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現(xiàn)場應用工程師。