?了解升壓轉換器的操作

了解升壓開關調節器如何產生高于其輸入電壓的輸出電壓。

在上一篇文章中，我們研究了升壓轉換器的基本拓撲結構（圖1）。

升壓轉換器通用拓撲圖。

?圖1。通用拓撲結構。

然后我們完成了一個設計程序，其中我們配置了用于混合信號電池供電設備的模擬升壓轉換器的功率級。圖2展示了我們創建的特定于應用程序的LTspice實現。

升壓轉換器LTSpice示意圖。

?圖2。LTspice中使用的升壓轉換器示意圖。

在本文中，我們將使用相同的電路來探討使升壓轉換成為可能的電氣行為。

開關接通狀態

與降壓變換器一樣，升壓轉換器具有兩個基本操作狀態：一個是當電源開關閉合時（接通狀態），另一個是當電源開關打開時（斷開狀態）。讓我們從接通狀態開始。

當開關導通時，來自輸入電源的電流被分流至接地。它流過電感器，流過開關，然后流入接地節點，如圖3所示。不通過二極管或到達電容器。在此期間，電感器的電流上升，電感器“充電”，這意味著其磁場的能量含量增加。

顯示處于接通狀態的升壓轉換器的示意圖，電源電流路徑由綠色箭頭表示。

?圖3。接通狀態下通過升壓轉換器的電源電流路徑。

同時，負載電路需要一致的電流供應：為了使圖表更加完整，我們需要包括負載電流（圖4）。如圖所示，電容器在接通狀態下放電并提供負載電流。

升壓轉換器處于接通狀態的示意圖，電源電流和負載電流的路徑由綠色箭頭表示。

?圖4。升壓轉換器處于接通狀態。電源電流和負載電流均以綠色表示。

電感器正在充電，電容器正在放電，二極管由于反向偏置而阻斷了兩個方向的電流。

但是我們怎么知道二極管是反向偏置的呢？關鍵觀察是閉合開關的阻抗非常低：因此VSW節點處的電壓將接近0V。由于輸出電壓高于0V，二極管反向偏置，并且只要開關導通，就沒有電流流過。

認識到二極管在開關循環的這一部分是開路強調了輸出電容器的重要性，輸出電容器是唯一可用于在開關接通時維持輸出電壓和傳輸負載電流的部件。還值得注意的是，二極管防止輸出電壓通過閉合開關將電流驅動回地。

關閉狀態

當開關閉合時，電流流過電感器，我們知道電感的性質是抵抗電流變化。因此，當開關斷開時，電感器電流將繼續流動，采用唯一合理的可用路徑：二極管。

在迫使其電流通過二極管的過程中，電感器必須提高節點VSW處的電壓，直到二極管被正向偏置為止。為此，電感器必須產生至少等于（VOUT+VF）的VSW電壓，其中VF表示二極管的正向電壓。因此，電感器的右側端子處的電壓將大于VOUT以及大于VIN。

一旦二極管兩端的電壓足以導通，電流將從電源流過電感器和二極管，然后流入電容器和負載（圖5）。

處于斷開狀態的升壓轉換器的示意圖，其中電流由綠色箭頭表示。

?圖5。開關斷開狀態下流過升壓轉換器的電流。

實現提升

電容器的充電電壓可超過系統中的電源電壓。從與電容器的電容（C）、存儲電荷（Q）和電壓（V）相關的方程式中可以明顯看出這一點：

如果把更多的電荷加到電容器的極板上，電壓就會上升。這個方程式中沒有任何內容表明當你接近系統的電源電壓時，電壓會變平。

然而，我們還需要考慮其他電氣定律，并且電容器的電壓通常不會增加到超過電源電壓。電容器的電壓自然地在用于將電荷驅動到其極板上的電壓下變平。

為了成功地將電容器電壓增加到驅動電壓之外，我們需要將電荷“泵”入電容器中，并防止電荷回流到源中。升壓轉換器的二極管起到電流單向閥的作用，提供了兩個動作：

電感器電流可流過二極管，并將電容器充電至高于VIN的電壓。

電容器不能通過電感器放電回電源，因為二極管防止電流在該方向流動。

圖6以綠色顯示了來自電感器的電流，以紅色顯示了來自電容器的電流。

升壓轉換器處于關斷狀態的示意圖，其中從電感器到電容器的電流由綠色箭頭表示，從電容器朝向電感器的電流由紅色箭頭表示。紅色箭頭未到達電感器，而是停在二極管處。

?圖6。二極管允許電流從電感器流向電容器，但不允許電流從電感器流向電容器。

簡而言之，升壓轉換器將能量存儲在電感器的磁場中，然后以這樣的方式將能量傳輸到電容器，使得電容器的電壓能夠增加超過向電感器提供能量的源的電壓。

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我希望本文能夠幫助您了解升壓轉換器中的組件如何共同工作以產生高于其輸入電壓的調節輸出電壓。在下一篇文章中，我們將使用模擬的電壓和電流波形來更全面地研究這個電路。