了解升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器如何產(chǎn)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(zhuǎn)換器的基本拓撲結(jié)構(gòu)（圖1）。

升壓轉(zhuǎn)換器通用拓撲圖。

?圖1。通用拓撲結(jié)構(gòu)。

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

升壓轉(zhuǎn)換器LTSpice示意圖。

?圖2。LTspice中使用的升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成為可能的電氣行為。

開關(guān)接通狀態(tài)

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

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)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(guān)，然后流入接地節(jié)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(tài)的升壓轉(zhuǎn)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(tài)下通過升壓轉(zhuǎn)換器的電源電流路徑。

同時，負載電路需要一致的電流供應(yīng)：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(tài)下放電并提供負載電流。

升壓轉(zhuǎn)換器處于接通狀態(tài)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(zhuǎn)換器處于接通狀態(tài)。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(guān)鍵觀察是閉合開關(guān)的阻抗非常低：因此VSW節(jié)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(guān)導(dǎo)通，就沒有電流流過。

認識到二極管在開關(guān)循環(huán)的這一部分是開路強調(diào)了輸出電容器的重要性，輸出電容器是唯一可用于在開關(guān)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(guān)將電流驅(qū)動回地。

關(guān)閉狀態(tài)

當(dāng)開關(guān)閉合時，電流流過電感器，我們知道電感的性質(zhì)是抵抗電流變化。因此，當(dāng)開關(guān)斷開時，電感器電流將繼續(xù)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(jié)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(chǎn)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(cè)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(dǎo)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(tài)的升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖，其中電流由綠色箭頭表示。

?圖5。開關(guān)斷開狀態(tài)下流過升壓轉(zhuǎn)換器的電流。

實現(xiàn)提升

電容器的充電電壓可超過系統(tǒng)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(guān)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(nèi)容表明當(dāng)你接近系統(tǒng)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器處于關(guān)斷狀態(tài)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(zhuǎn)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?shù)诫娙萜?，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(zhuǎn)換器中的組件如何共同工作以產(chǎn)生高于其輸入電壓的調(diào)節(jié)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。