电感式DC-DC的升压器原理

本文介绍电感式DC-DC的升压器原理，属于基础性质，适合那些对电感特性不了解，但同时又对升压电路感兴趣的同学。

想要充分理解电感式升压原理，就必须知道电感的特性，包括电磁转换与磁储能。

我们先来观察下面的图:

这个图是电池对一个电感(线圈)通电，电感有一个特性---电磁转换，电可以变成磁，磁也可以变回电。当通电瞬间，电会变为磁并以磁的形式储存在电感内。而断电瞬磁会变成电，从电感中释放出来。

然而问题来了，断电后，回路已经断开，电流无处可以，磁如何转换成电流呢?很简单，电感两端会出现高压，如果电感线圈的自感系数很大，那么自感电动势就会很大，在很大的电势差之间的空隙，会产生很强的电场，甚至会击穿空气，发生放电现象。附近若有人，会对其造成一定危险，如果附近有易燃物质，就有发生着火的危险。

这样，我们也理解了电感的第二个特性----升压特性。当回路断开时，电感内的能量会以高电压的形式变换回电。

现在对以上的内容作一下小结：

下面是正压发生器，你不停地扳动开关，从图中节点处可以得到无穷高的正电压。电压到底升到多高，取决于你在二极管的另一端接了什么东西让电流有处可去。如果什么也不接，电流就无处可去，于是电压会升到足够高，将开关击穿，能量以热的形式消耗掉。

然后是负压发生器，你不停地扳动开关，从图中节点处可以得到无穷高的负电压。

上面说的都是理论，现在来点实际的电路，看看DC-DC升压电路的最小系统到底是什么样子。

你可以清楚看到演变，电路中把开关换成了三极管，用固定频率的方波控制三极管的开关就能实现升压。不要小看这两个图，事实上，所有开关电源都是由这两个图组合变换而来的。

最后说一下磁饱合问题。

我们已经知道电感可以储存能量，将能量以磁场方式保存，但能存多少，存满之后会发生什么情况呢?

最大磁通量，这个参数表示电感能存多少能量，根据这个参数你可以算出一个电感要提供n伏m安电流时必须工作于多高的频率下。

存满之后会如何?这就是磁饱合的问题。饱合之后，电感失去一切电感应有的特性，变成一纯电阻，并以热形式消耗掉能量。

 

应用举例：

升压芯片是一种高效率、低纹波的DC-DC 变换器，内置MOS开关管。这个系列产品仅需要4个外围元器件，就可以将0.9V以上的电压变换升压到5V，经常用于电池供电的儿童玩具电路中。

典型升压电路

可知，这个VOUT脚的功能实际不是out，而是in，它检测VOUT的电压进行反馈。

PL2303的内部结构

电感的选择：

工作频率高达 300KHz，目的是为了能够减小外部电感尺寸， 只需要 4.7uH 以上的电感就可以保证正常工作， 但是输出端如果需要输出大电流负载(例如：输出电流大于 50mA)，为了提高工作效率，建议使用较大电感。综合考虑，建议使用47uH、 寄生串联电阻小于 0.5Ω 的电感。如果需要提高大负载时的效率， 则需要使用更大电感值、更小寄生电阻值的电感。

用于整流的二极管对DC- DC 的效率影响很大，虽然普通的二极管也能使电路工作正常，但是会降低 5~10%的效率，所以建议使用正向导通电压低、反应时间快的肖特基二极管，

只要电源稳定，即使没有输入滤波电容，电路也可以输出低纹波、低噪声的电流电压。但是当电源距离 DC-DC电路较远，建议在 DC-DC 的输入端就近加上 10uF 以上的滤波电容，用于减小输出噪声。

焦耳神偷电路是一个简约的自激振荡升压电路，成本低、易制作。它可以榨干一节废旧干电池上的所有能量，即使是那些在其它电路中已经被认为没电的电池。在制作焦耳神偷电路时，一定要注意两个电感的方向相反。

标准焦耳神偷电路

通常1.5V的干电池用完之后还会有1.1V左右的电压，说明此时电池内还有能量，只不过内阻已经变的很大，输出电流很微弱，已经无法驱动一般的电路，更无法点亮LED。而焦耳神偷电路可以通过磁感线圈产生高频脉冲电压，使LED导通，通过调整合适的参数，可以将电池电压升高10-100倍以上。

焦耳神偷原理

1. 电流经L1流入BJT的基极，使BJT开始导通，集电极产生电流，集电极端的线圈L2产生变化磁通量，使基极线圈L1感应出电动势，并正向加在BJT的基极上。

2. 基极电流由于加了电动势而增大，使BJT集电极电流进一步增加，这个正反馈将持续，直到BJT饱和，基极电流的变化无法再引起集电极电流的变化。

3. 因为集电极电流不再变化，所以基极线圈L1不再产生更多的电动势，基极电流开始减小。

4. 集电极线圈上的电流开始减小，储存在磁芯上的能量开始崩溃，这在两个线圈上都产生了与原来方向相反的电动势，在基极线圈L1上，使BJT截止。集电极线圈L2上的感应电动势被传送给LED。要注意，此时L2感应出来的电动势远远高于电源电压，可以达到10到100倍以上。

5. LED导通后，电感开始放电，电流逐渐稳定，当小于LED导通电压时，右边支路断路，电流重新从对左边电感充电，如此反复。

下图是用两个色环电感构成的焦耳神偷电路。

注意图中两个电感的方向相反

一节纽扣电池，点亮10个串联的LED。

 

　　审核编辑：汤梓红