​升压转换器介绍：结构与设计

什么是升压转换器？本文讨论了升压型电压调节器的主要初始设计任务，并描述了其结构。

在我的最后一篇系列文章中，LTspice帮助我们研究了降压开关调节器的功率级的特性。下一批文章将继续使用LTspice来探讨开关模式电源的设计和电气性能，但重点在于降压转换器之外的调节器拓扑。

我们将从通常被称为升压转换器或升压调节器的电路开始。本文将讨论其设计；在未来的文章中，我们将探讨其基本操作，并仔细观察电流和电压波形。

升压转换器功率级

正如“升压”和“升压”这两个名字所暗示的那样，我们今天讨论的拓扑结构可以实现高于其输入电压的输出电压。随着效率的提高，开关模式相对于线性调节具有重要优势，因为线性调节不能产生高于VIN的VOUT。

然而，对于开关模式技术，我们所需要的只是我们用于降压转换器的相同简单组件的不同布置。图1展示了这种升压装置的外观。

•图1。升压电路。图片由Robert Keim提供

现在我将为LTspice创建一个升压转换器设计。与LTspice降压转换器一样，我将使用电压控制开关而不是晶体管。

我的实现如下，如图2所示：它代表了一个用于低压、电池供电应用的电路，并且我所选择的值反映了这一点。我将在下一节中对此进行更详细的介绍。

LTspice中使用的升压转换器示意图。

•图2。LTspice中使用的升压转换器示意图。图片由Robert Keim提供

是升压调节器还是升压转换器？检查什么是开关电压调节器？审查术语和基本概念。

运行参数和组件值

在根据这个示意图进行模拟之前，让我们考虑我们的升压转换器的参数。

输入和输出电压

升压转换器的2.5伏电源提供了我们可以从一对部分放电的碱性硬币电池中获得的输入电压。然而，与其他开关一样，完成的电路，即与用于输出电压调节的反馈系统相结合的功率级，将与一系列输入电压兼容。因此，相同的电路可以与3V锂离子硬币电池或单个碱性电池组合。

规定的输出电压为5V。我可以想象一个设备，其中这个5V直接提供一些较高功率的驱动电路和连接的传感器或继电器模块，然后5V通过一个或多个用于较低功率数字电路和高精度模拟电路的紧凑线性调节器。我喜欢这种电源管理解决方案：尽管电池电压逐渐降低，但它为我们提供了一个稳定的5V轨道，能够直接或间接地为系统中的所有组件提供可靠的电源。

工作循环周期

升压调节器的输入电压、输出电压和占空比之间的理想关系如下：

我们有VI=2.5 V和VOUT=5 V。由于我不会故意将非理想性纳入我的模拟中，所以我将把效率保持在100%。这为我们提供了50%的工作循环。

对于那些没有阅读过前面文章的人，我要强调我们不能依赖于固定的占空比来产生所需的输出电压。上述方程式为我们提供了一个起点，但在实际实现中，我们将依赖于闭环控制来根据需要调整占空比以维持适当的VOUT。

电感

我使用公式确定了LTspice降压转换器的初始电感值。然而，当我尝试对升压转换器使用相同的方法时，我第一次尝试产生的电感值大约比我更喜欢在紧凑的低压设备中使用的电感值大一个数量级。

幸运的是，这种计算出的电感对于成功的转换器操作是不必要的：我不是寻找一个不同的公式，而是选择了一个符合我提出的尺寸限制的值，并使用了它。图2所示的2μH电感基于本Texas Instruments应用说明中的升压转换器电感建议，其中也包含最初使用的公式I和其他关于电感器选择的有用信息。

开关频率

因为我选择了一个相当小的电感，我也选择了一个更高的开关频率。这是开关调节器设计中的基本关系之一：开关频率越高，电感越低。我有2兆赫的频率振荡，这对于一个切换器来说相当高，但一点也不不切实际。

输出电容值

根据预期输出电流（IOUT）、占空比（D）、开关频率（fOSC）和预期输出纹波（ΔVOUT），可以使用以下公式计算令人满意的输出电容：

然而，基于我前面描述的应用程序特性，没有特别需要保持低纹波。正如我在前面文章中所建议的那样，该电路也可以连接到线性调节器，在这种情况下，它将受益于线性调节器的纹波抑制能力。

。和电感一样，我使用了针对实际集成电路的建议，以获得一个我认为性能和尺寸之间良好折衷的值。

线性调压阀压力恢复比

当我们讨论这个话题时，线性调节器的纹波抑制能力被测量为PSRR（电源抑制比）。PSRR根据多个参数波动，包括频率；下图（图3）显示了这种波动。

相对于纹波频率（以赫兹为单位）的PSRR（以分贝为单位测量）曲线图。它表明，当频率通过10kHz的阈值时，PSRR会降低并变得不那么稳定。

•图3。相对纹波频率的PSRR曲线图。图片由得Texas Instruments提供

虽然我们在2MHz下仍有大量的衰减，但如果您计划使用线性调节器来降低输出纹波振幅，则该图提供了有利于选择较低开关频率的论据。

二极管反向恢复时间

我们还有一个参数要讨论：转换器二极管的反向恢复时间，这对开关调节器尤为重要（如果您有兴趣了解更多信息，本文将为您的电源电路选择正确的整流器是一个很好的资源）。

虽然我使用标准二极管作为降压转换器，但我选择肖特基二极管作为升压转换器。肖特基二极管通常优选用于开关调节器，因为它们更有效地在导通和非导通状态之间切换并且在导通时具有更低的电压降。

下一篇

我们已经阅读了大量关于升压开关调节器功率级初始设计任务的信息。在下一篇文章中，我们将开始讨论调节器的实际操作-所以，如果您仍然有点困惑于这个电路实际上如何生成高于输入电压的输出电压，请继续关注！