升压转换器简介：结构与设计
发布日期:2023-10-19
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升压转换器功率级
正如“升压”和“升压”这两个名称所暗示的那样，我们今天讨论的拓扑可以实现高于输入电压的输出电压。这与效率的提高一起代表了开关模式相对于线性调节的关键优势，因为后者无法产生高于 V IN的 V OUT。
然而，使用开关模式技术，我们所需要的只是对用于降压转换器的相同简单组件进行不同的布置。图 1 显示了这种升压布置的样子。
图 1.升压稳压器的电路图。图片由罗伯特·凯姆提供
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，我将使用压控开关而不是晶体管。
我的实现如下图 2 所示：它代表了一个用于低电压、电池供电应用的电路，我选择的值反映了这一点。我将在下一节中详细介绍这一点。
图 2.在 LTspice 中实现的升压转换器原理图。图片由罗伯特·凯姆提供
它是升压调节器还是升压转换器？查看什么是开关稳压器？回顾术语和基本概念。
工作参数和元件值
在根据该原理图运行仿真之前，让我们考虑一下升压转换器的参数。
输入和输出电压
升压转换器的 2.5 V 电源提供输入电压，我们可以从一对部分放电的碱性纽扣电池获得。不过，与其他开关一样，完整的电路（即功率级与用于输出电压调节的反馈系统相结合）将与一系列输入电压兼容。因此，同一电路可以与 3 V 锂离子纽扣电池或单个碱性电池组合。
指定的输出电压为 5 V。我可以想象一种设备，其中该 5 V 直接为一些更高功率的驱动电路和连接的传感器或继电器�？楣┑纾�5 V 随后通过一个或多个紧凑的线性稳压器以实现更低的电压功率数字电路和高精度模拟电路。我喜欢这种电源管理解决方案：尽管电池电压逐渐降低，但它为我们提供了稳定的 5 V 电源轨，可以直接或间接地为系统中的所有组件可靠供电。
占空比
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：
我们的 V IN = 2.5 V 和 V OUT = 5 V。由于我不会故意将非理想因素纳入模拟中，因此我会将效率保留为 100%。这给我们提供了 50% 的占空比。
对于那些还没有阅读过前面文章的人，我想强调的是，我们不能依靠固定的占空比来产生所需的输出电压。上面的等式为我们提供了一个起点，但在实际实现中，我们将依靠闭环控制来根据需要调整占空比，以维持适当的 V OUT。
电感
我使用公式确定了 LTspice 降压转换器的原始电感值。然而，当我尝试对升压转换器使用相同的方法时，我的次尝试产生的电感值比我希望在紧凑型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来说并不是必需的：我没有寻找不同的公式，而是选择了一个符合我建议的尺寸限制的值并使用它。图 2 中所示的 2 μH 电感基于德州仪器 (TI) 应用笔记中的升压转换器电感建议，其中还包含我初使用的公式以及有关电感器选择的其他有用信息。
开关频率
因为我选择了相当小的电感，所以我还选择了更高的开关频率。这是开关稳压器设计中的基本关系之一：较高的开关频率可实现较低的电感。我的 f OSC为 2 MHz，这对于切换器来说相当高，但并非不切实际。
输出电容
您可以使用以下公式根据预期输出电流 (I OUT )、占空比 (D)、开关频率 (f OSC ) 和所需输出纹波 (ΔV OUT ) 计算满意的输出电容：
不过，根据我上面描述的应用特性，没有特别需要保持低纹波。正如我在本文前面所建议的，该电路还可以连接到线性稳压器，在这种情况下，它将受益于线性稳压器的纹波抑制功能。
我终决定跳过计算。与电感一样，我使用了现实集成电路的建议来得出我认为性能和尺寸之间良好折衷的值。
线性稳压器 PSRR
当我们讨论这个主题时，线性稳压器的纹波抑制能力用 PSRR（电源抑制比）来??衡量。PSRR根据多个参数波动，包括频率；下图（图 3）显示了这种波动。
图 3.PSRR与纹波频率的关系图。图片由德州仪器 (TI)提供
PSRR（以分贝为单位）相对于纹波频率（以赫兹为单位）的图表。 它表明，一旦频率超过 10k Hz 阈值，PSRR 就会降低并且变得不太稳定。
尽管我们在 2 MHz 时仍有大量衰减，但如果您计划使用线性稳压器来降低输出纹波幅度，则该图提供了支持选择较低开关频率的论据。
二极管反向恢复时间
我们还有一个参数需要讨论：转换器二极管的反向恢复时间，这对于开关稳压器尤其重要（如果您有兴趣了解更多信息，这篇关于为您的电源电路选择正确的整流器的文章是一个很好的资源） 。
虽然我在降压转换器中使用了标准二极管，但在升压转换器中我选择了肖特基二极管。肖特基二极管通常是开关稳压器的，因为它们可以更有效地在导通和非导通状态之间切换，并且导通时具有较低的压降。
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