升壓轉(zhuǎn)換器簡介：結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

正如“升壓”和“升壓”這兩個(gè)名稱所暗示的那樣，我們今天討論的拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)高于輸入電壓的輸出電壓。這與效率的提高一起代表了開關(guān)模式相對于線性調(diào)節(jié)的關(guān)鍵優(yōu)勢，因?yàn)楹笳邿o法產(chǎn)生高于 V IN的 V OUT。

升壓轉(zhuǎn)換器功率級
正如“升壓”和“升壓”這兩個(gè)名稱所暗示的那樣，我們今天討論的拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)高于輸入電壓的輸出電壓。這與效率的提高一起代表了開關(guān)模式相對于線性調(diào)節(jié)的關(guān)鍵優(yōu)勢，因?yàn)楹笳邿o法產(chǎn)生高于 V IN的 V OUT。
然而，使用開關(guān)模式技術(shù)，我們所需要的只是對用于降壓轉(zhuǎn)換器的相同簡單組件進(jìn)行不同的布置。圖 1 顯示了這種升壓布置的樣子。

圖 1.升壓穩(wěn)壓器的電路圖。圖片由羅伯特·凱姆提供

現(xiàn)在我將為 LTspice 創(chuàng)建一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。與 LTspice 降壓轉(zhuǎn)換器一樣，我將使用壓控開關(guān)而不是晶體管。
我的實(shí)現(xiàn)如下圖 2 所示：它代表了一個(gè)用于低電壓、電池供電應(yīng)用的電路，我選擇的值反映了這一點(diǎn)。我將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹這一點(diǎn)。

圖 2.在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。圖片由羅伯特·凱姆提供

它是升壓調(diào)節(jié)器還是升壓轉(zhuǎn)換器？查看什么是開關(guān)穩(wěn)壓器？回顧術(shù)語和基本概念。
工作參數(shù)和元件值
在根據(jù)該原理圖運(yùn)行仿真之前，讓我們考慮一下升壓轉(zhuǎn)換器的參數(shù)。
輸入和輸出電壓
升壓轉(zhuǎn)換器的 2.5 V 電源提供輸入電壓，我們可以從一對部分放電的堿性紐扣電池獲得。不過，與其他開關(guān)一樣，完整的電路（即功率級與用于輸出電壓調(diào)節(jié)的反饋系統(tǒng)相結(jié)合）將與一系列輸入電壓兼容。因此，同一電路可以與 3 V 鋰離子紐扣電池或單個(gè)堿性電池組合。
指定的輸出電壓為 5 V。我可以想象一種設(shè)備，其中該 5 V 直接為一些更高功率的驅(qū)動電路和連接的傳感器或繼電器模塊供電，5 V 隨后通過一個(gè)或多個(gè)緊湊的線性穩(wěn)壓器以實(shí)現(xiàn)更低的電壓功率數(shù)字電路和高精度模擬電路。我喜歡這種電源管理解決方案：盡管電池電壓逐漸降低，但它為我們提供了穩(wěn)定的 5 V 電源軌，可以直接或間接地為系統(tǒng)中的所有組件可靠供電。
占空比
升壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓、輸出電壓和占空比之間的理想關(guān)系如下：

我們的 V IN = 2.5 V 和 V OUT = 5 V。由于我不會故意將非理想因素納入模擬中，因此我會將效率保留為 100%。這給我們提供了 50% 的占空比。
對于那些還沒有閱讀過前面文章的人，我想強(qiáng)調(diào)的是，我們不能依靠固定的占空比來產(chǎn)生所需的輸出電壓。上面的等式為我們提供了一個(gè)起點(diǎn)，但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，我們將依靠閉環(huán)控制來根據(jù)需要調(diào)整占空比，以維持適當(dāng)?shù)?V OUT。
電感
我使用公式確定了 LTspice 降壓轉(zhuǎn)換器的原始電感值。然而，當(dāng)我嘗試對升壓轉(zhuǎn)換器使用相同的方法時(shí)，我的次嘗試產(chǎn)生的電感值比我希望在緊湊型低壓設(shè)備中使用的電感值大一個(gè)數(shù)量級。
幸運(yùn)的是，這種計(jì)算出的電感對于成功的轉(zhuǎn)換器操作來說并不是必需的：我沒有尋找不同的公式，而是選擇了一個(gè)符合我建議的尺寸限制的值并使用它。圖 2 中所示的 2 μH 電感基于德州儀器 (TI) 應(yīng)用筆記中的升壓轉(zhuǎn)換器電感建議，其中還包含我初使用的公式以及有關(guān)電感器選擇的其他有用信息。
開關(guān)頻率
因?yàn)槲疫x擇了相當(dāng)小的電感，所以我還選擇了更高的開關(guān)頻率。這是開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中的基本關(guān)系之一：較高的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)較低的電感。我的 f OSC為 2 MHz，這對于切換器來說相當(dāng)高，但并非不切實(shí)際。
輸出電容
您可以使用以下公式根據(jù)預(yù)期輸出電流 (I OUT )、占空比 (D)、開關(guān)頻率 (f OSC ) 和所需輸出紋波 (ΔV OUT ) 計(jì)算滿意的輸出電容：

不過，根據(jù)我上面描述的應(yīng)用特性，沒有特別需要保持低紋波。正如我在本文前面所建議的，該電路還可以連接到線性穩(wěn)壓器，在這種情況下，它將受益于線性穩(wěn)壓器的紋波抑制功能。
我終決定跳過計(jì)算。與電感一樣，我使用了現(xiàn)實(shí)集成電路的建議來得出我認(rèn)為性能和尺寸之間良好折衷的值。
線性穩(wěn)壓器 PSRR
當(dāng)我們討論這個(gè)主題時(shí)，線性穩(wěn)壓器的紋波抑制能力用 PSRR（電源抑制比）來??衡量。PSRR根據(jù)多個(gè)參數(shù)波動，包括頻率；下圖（圖 3）顯示了這種波動。

圖 3.PSRR與紋波頻率的關(guān)系圖。圖片由德州儀器 (TI)提供

PSRR（以分貝為單位）相對于紋波頻率（以赫茲為單位）的圖表。 它表明，一旦頻率超過 10k Hz 閾值，PSRR 就會降低并且變得不太穩(wěn)定。
盡管我們在 2 MHz 時(shí)仍有大量衰減，但如果您計(jì)劃使用線性穩(wěn)壓器來降低輸出紋波幅度，則該圖提供了支持選擇較低開關(guān)頻率的論據(jù)。
二極管反向恢復(fù)時(shí)間
我們還有一個(gè)參數(shù)需要討論：轉(zhuǎn)換器二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，這對于開關(guān)穩(wěn)壓器尤其重要（如果您有興趣了解更多信息，這篇關(guān)于為您的電源電路選擇正確的整流器的文章是一個(gè)很好的資源） 。
雖然我在降壓轉(zhuǎn)換器中使用了標(biāo)準(zhǔn)二極管，但在升壓轉(zhuǎn)換器中我選擇了肖特基二極管。肖特基二極管通常是開關(guān)穩(wěn)壓器的，因?yàn)樗鼈兛梢愿行У卦趯?dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，并且導(dǎo)通時(shí)具有較低的壓降。