DC-DC變換之BOOST拓撲電路

眾所周知，改變電壓值最直接的方法就是交流電，通過變壓器可以方便地改變電壓值大小。但是，如果源電壓和目標電壓都是直流的話，通過變壓器的這種方式就很麻煩：需要先轉(zhuǎn)換成交流，改變電壓之后再轉(zhuǎn)換成直流，需要經(jīng)過兩次交直流轉(zhuǎn)換。

那么，有沒有直接直流轉(zhuǎn)直流的電壓變換電路呢？當然有！這就是DC-DC變換電路。

DC-DC電路又叫斬波電路，為什么是這個名字呢？因為這個電路的工作原理是，通過開關(guān)的控制把源電壓分成一段一段的能量送到輸出端，就像是把輸出波形斬成了一段一段的，因此叫斬波電路。通過開關(guān)的斬波控制，再加上能量器件（電感、電容）的存儲與釋放，從而達到改變輸出端電壓值的目的。

基本的斬波電路有六種：降壓斬波（buck）電路、升壓斬波（boost）電路、升降壓斬波（buck-boost）電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路。其中，前兩種斬波電路是最基本的斬波電路。下面主要講一下升壓斬波電路，也就是boost電路。

顧名思義，boost電路的功能是升壓，即輸出電壓比輸入電壓更高。boost電路主要應(yīng)用于直流電動機傳動、單相功率因數(shù)校正（PFC）電路，以及其他交直流電源中。

如下是boost電路最基本的拓撲圖：

boost電路有兩種工作過程：充電過程和放電過程。通過控制中間的開關(guān)器件來切換兩個工作過程。

在分析兩個工作過程切換工作之前，我們先假定中間的開關(guān)器件已經(jīng)斷開很久，其他器件已經(jīng)運行到穩(wěn)態(tài)。此時，輸出電容上的電壓等于輸入電壓（假定所有器件均為理想器件，忽略電感和二極管的壓降）。

充電過程：中間的開關(guān)器件導(dǎo)通，Vin直接給電感充電，從理論上講，電感上的電流會以一定的比率持續(xù)線性增加，此時二極管的作用是防止電容直接對地放電。

如下是等效電路圖，導(dǎo)通的開關(guān)器件以導(dǎo)線代替。

放電過程：開關(guān)器件斷開，由于電感器件的電流保持特性，電感上的電流不會直接變?yōu)?，而會由開關(guān)斷開瞬間的值緩慢變?yōu)?。但是，此時原來的放電回路已經(jīng)斷開，因此電感只能通過其他路徑放電。這個新的放電路徑就相當于再給輸出電容充電，輸出電容兩端的電壓會持續(xù)升高，此時已經(jīng)比輸入電源的電壓高了。

如下是等效電路圖，斷開的開關(guān)直接隱去。

通過控制開關(guān)器件以一定頻率進行開關(guān)動作，電感持續(xù)進行充電——放電（給電容充電）過程，輸出端會得到一個比輸入端大的電壓值。通過增加濾波電路可以將波動過濾，獲得穩(wěn)定的高于輸入電壓的一個輸出電壓值。

那么，如何控制輸出電壓的具體值呢？主要有三種方式：一種是控制開關(guān)周期不變，改變導(dǎo)通與關(guān)斷的時間占比，即改變占空比的模式；二是導(dǎo)通時間不變，改變整個開關(guān)周期，即改變控制頻率的模式；三是兩種參數(shù)都能改變的模式。

至此，我們已經(jīng)了解了boost電路的大概工作原理。那么，如何設(shè)計出一個好的boost電路呢？

首先要知道制約這個電路的關(guān)鍵點是什么，然后才能根據(jù)實際需求進行選型與調(diào)整。

制約boost電路的功率和效率的關(guān)鍵點，主要是開關(guān)管、整流管，以及電感損耗上。

電感不能選取磁通太小、導(dǎo)線太細的，否則無法存儲足夠能量，出現(xiàn)磁飽和（磁通太小）或者無法提供足夠的瞬時功率（導(dǎo)線太細）；通常都需要很大的體積來實現(xiàn)這些參數(shù)。想要減小電感體積，可以通過提高電路的開關(guān)頻率來實現(xiàn)。

整流管的選型不是最關(guān)鍵的，一般選取肖特基管即可，需要關(guān)注的參數(shù)是持續(xù)導(dǎo)通電流和導(dǎo)通壓降。

開關(guān)管是關(guān)鍵器件，需要選取導(dǎo)通電阻盡量小的，并且能夠承受足夠的導(dǎo)通電流；同時，如果為了減小電感體積而增加工作頻率，開關(guān)管需要有足夠的開關(guān)速度。

總體來說，開關(guān)管導(dǎo)通時，電源經(jīng)由電感-開關(guān)管形成回路，電流在電感中轉(zhuǎn)化為磁能貯存；開關(guān)管關(guān)斷時，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經(jīng)由二極管-負載形成回路，完成升壓功能。

既然如此，提高轉(zhuǎn)換效率就要從三個方面著手：

1、盡可能降低開關(guān)管導(dǎo)通時回路的阻抗，使電能盡可能多的轉(zhuǎn)化為磁能；

2、盡可能降低負載回路的阻抗，使磁能盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能，同時回路的損耗最低；

3、盡可能降低控制電路的消耗，因為對于轉(zhuǎn)換來說，控制電路的消耗某種意義上是浪費掉的，不能轉(zhuǎn)化為負載上的能量。

本文轉(zhuǎn)載自21ic電子網(wǎng)

審核編輯：湯梓紅