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：需要先轉換成交流，改變電壓之后再轉換成直流，需要經過兩次交直流轉換。

那么，有沒有直接直流轉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電路主要應用于直流電動機傳動、單相功率因數校正（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器件已經斷開很久，其他器件已經運行到穩態。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：中間的開關器件導通，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，導通的開關器件以導線代替。

放電過程：開關器件斷開，由于電感器件的電流保持特性，電感上的電流不會直接變為0，而會由開關斷開瞬間的值緩慢變為0。但是，此時原來的放電回路已經斷開，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升高，此時已經比輸入電源的電壓高了。

如下是等效電路圖，斷開的開關直接隱去。

通過控制開關器件以一定頻率進行開關動作，電感持續進行充電——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：一種是控制開關周期不變，改變導通與關斷的時間占比，即改變占空比的模式；二是導通時間不變，改變整個開關周期，即改變控制頻率的模式；三是兩種參數都能改變的模式。

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

首先要知道制約這個電路的關鍵點是什么，然后才能根據實際需求進行選型與調整。

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

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

整流管的選型不是最關鍵的，一般選取肖特基管即可，需要關注的參數是持續導通電流和導通壓降。

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

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

既然如此，提高轉換效率就要從三個方面著手：

1、盡可能降低開關管導通時回路的阻抗，使電能盡可能多的轉化為磁能；

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，因為對于轉換來說，控制電路的消耗某種意義上是浪費掉的，不能轉化為負載上的能量。

本文轉載自21ic電子網

審核編輯：湯梓紅