升压型（Boost or Step-up）开关电源及电路图解析

今天我们一起来学习升压型（Boost or Step-up）开关电源。

原理

让我们从下面的这个经典升压型开关电源电路开始：

经典开关电源电路

实际应用中图中的开关一般是场效应管，但为了简单和好理解起见，我们用通用开关符号替代。

假设开始时的开关是断开的，电流从 10 伏电源流过电感、流过二极管，然后给电容充电。二极管两侧会有一个小小的压降，我们假设它是 0.5 伏。因此，输出电容被充电到 9.5 伏。到目前为止，我们还是在降低电压，且让我们耐心点。

开关断开，电容充电

下一步，闭合开关。二极管会阻止电容放电。因此，输出电压维持在 9.5 伏：

开关闭合，电压保持

但是，现在我们有一个从输入电压经过电感到地的电流通路：

电流通路

如果我们一直将开关闭合，我们基本上是在通过电感将输入短路。那样的话，一些很不好的事情将会发生。

电感被烧掉

我们可不想那么做。我们只是在极短的时间内闭合电感。我们仅仅闭合开关一小段时间，以便刚好足够一些电流流过电感。当我们这样做时，我们是在将电能以磁能的形式存储在电感中。

现在我们在电感中以电磁能的形式存储了一些能量，我们迅速地断开开关。

迅速断开开关

因为电感中的电流不会突然改变，电流只能继续流过电感、流过二极管，然后流入输出电容。也就是说，能量从电感传递到电容。随着电感中磁场的崩塌，电容两端的电压被升高了。要注意，电子的流动方向是和传统电流方向相反的，图中电感的左侧会因为电流流动而积累负电荷，相应的，右侧就会因为电子流出而出现高电压。我们的升压转换器（Boost Converter）现在已经提高了电压：

迅速断开开关 电压升高

前面说过，我们不希望闭合开关的时间太长，因为时间太长会导致短路。因此，我们用一个高频的方波（Pulse Width Modulated) 来控制开关的闭合和断开：

高频方波控制

通过增加控制方波的占空比，可以加快电容两端电压抬升的速度，进而提高输出电压。但是, 你如何知道输出电压到底是多少呢？课本中可能会看到这个公式（duty cycle 是指占空比）：

不管用的公式

这个公式只在电流很小的时候管用，在实际电路中，输出电压输出电压和方波占空比、电感的大小、开关速度、输出电路等等都相关。因此，同降压型（Buck）开关电源一样，如果我们希望建立一个真实有用的升压电源，我们需用一个一站式控制芯片。该芯片可以自动调节控制方波的占空比，以确保一个稳定的输出电压。

一站式解决方案

我们使用凌力尔特（Linear Technology）的 LT1370 这款芯片来制作升压型开关电源：

50瓦电源

电源的输入和输出端都接入了电解电容和陶瓷电容，以滤除电流中的高频信号。这是一种开关电源的常见做法：

滤波电容

为了提高转换效率，我们使用肖特基二极管，正向压降越低越好：

肖特基二极管

下面是可提供最大输出为 30 伏的反馈电阻网络：

反馈电阻

Vout 在可调电阻为最大值（10k）时最大:

下面是一些新花样，这些器件用于控制回路频率补偿，基本上，它们帮助控制器适应输出电压的微小变化，以输出干净的直流电:

频率补偿

学习如何设计补偿电路需要大量复杂的数学运算和控制理论知识，本文不做讨论。好消息是，大多数时候您只需使用芯片数据表（datasheet）中的推荐值，您的电路就会跑起来。

稳定回路的方法

焊起来

从把带有散热片的主控芯片焊接到洞洞板的中间开始，周围留下足够空间，以放置其他器件。保持元件连线短且焊锡足够粗。

再焊接上输出电容：

再焊接上反馈电阻，连线越短越好：

最后，在靠近输入的地方焊接上频率补偿电阻和电容，引脚 3 和 6 悬空即可：

让我们看看板子的底部。请注意我如何安排组件，以便我可以从输入到输出有一个简单的连续接地。

我将陶瓷输入滤波电容直接焊接在控制器的输入引脚上。陶瓷输出滤波电容和输出电解电容平行。

跑起来

现在如果你给设备上电，可以将输入电压提高到 30 伏。

可以提高到 30 伏

它只能输出大约 50 瓦的功率，否则设备会过热。它的输入电流限制在 5 安培。注意我说的是输入电流限制，而不是输出电流限制。比如我们的电源输出 12 伏电压，输出电流为 1安培。因此输出功率为 12 瓦。

当我用 5 伏直流电作为其输入时，它的电流达到 2.99 安培：

也就是说，输入电流高于输出电流。这是因为我们不能凭空创造出能量。为了提高输出电压，我们不得不从输入攫取更多的电流。总体而言，我们的升压开关电源能达到 80% 的效率。

最后，值得注意的是，出于安全原因，电路的设计限制为 30 伏输出，但来自大电容器的 30 伏输出也会造成一些损坏。

编辑：黄飞