一文總結DC-DC升壓電路

一、什么是 DC-DC 轉換器？

DC-DC 轉換器是一種電力電子電路，可有效地將直流電從一個電壓轉換為另一個電壓。

DC-DC 轉換器在現代電子產品中扮演著不可或缺的角色。這是因為與線性穩壓器相比，它們具有多項優勢。尤其是線性穩壓器會散發大量熱量，與 DC-DC 轉換器中的開關穩壓器相比，它們的效率非常低。

DC-DC 升壓電路

在介紹 DC-DC 轉換器 的工作原理之前，看一個示例，為什么 DC-DC 轉換器這么有用？假設構建一個具有以下要求的電路：

DC-DC 升壓電路

2Ω 負載電阻

12V 直流電源

5V 負載電壓

我們需要降低 12V 電池的電壓，為負載提供 5V 電壓。我們可以將一個2.8Ω的電阻與負載串聯，以提供所需要的電壓。

先計算電路的效率如下：

DC-DC 升壓電路

從這些計算中，我們可以看到負載僅僅消耗了 12.5W 的輸入功率，剩余部分 (30 – 12.5 = 17.5 W) 轉化為熱量。

照這么來看，其實是有點浪費的，如果觸摸串聯電阻，會有點熱，這里需要結合機制來冷卻電路，為了獲得更優的解決方案，可以看下面的電路：

DC-DC 升壓電路

開關斷開時，輸入電壓為 0V，控制在 ON 位置時，輸入電壓為 12V。下圖分別顯示了開關位置 ON 和 OFF 的等效電路。

DC-DC 升壓電路等效電路

如果我們如下圖（a）所示控制開關，我們得到如下圖（b）所示的電壓圖。T為切換周期，單位為毫秒或微秒。

DC-DC 升壓電路

在這種情況下，這種開關行為的平均輸出電壓為 5V，因為：

DC-DC 升壓電路

該電路的平均輸出電壓為5V，但我們可以通過使用RC濾波電路去除諧波來改善輸出波形。

如果我們假設開關是理想的（理想開關是不消耗或耗散電源的開關），我們可以計算出該電路的效率為 100%。當開關處于 ON 位置時，流過電路的電流為 6A。

由于我們有一個理想的開關，耗散功率為 P_diss = RI 2 = 0 * 9 2 = 0W。當開關處于關閉位置時，沒有電流流過開關，因此在這種情況下，耗散功率也為 0。

然而在實際應用中，找到一個理想的開關是比較困難的，這就意味著實際上會有一些功耗，雖然有功耗，但轉換的效率仍舊很高。

二、 DC-DC 升壓電路

DC-DC 升壓電路主要是增加電源的電壓，例如：升壓轉換器可以采用 5V 電源并將其升壓至 25V。通常，你會在電池充電器或太陽能電池板中找到 DC-DC 升壓轉換器。它們還可用于從同一電池為具有不同工作電壓的組件供電。

這種配置將直流電壓升高到由電路中組件選擇決定的水平。這是升壓轉換器的一般示意圖。

1、升壓開關打開狀態

升壓開關 ON 狀態

2、升壓開關關閉狀態

升壓開關關閉狀態

基本配置包括直流電源（Vin）、電感（L）、二極管（D）、開關器件（SW）、平滑電容（C）和負載電阻（Load），Vout 是輸出電壓。

開關通常是功率電子器件，例如由 PWM 信號控制的 MOSFET或BJT 晶體管。該 PWM 信號通過非?？焖俚厍袚Q晶體管來工作，通常每秒數千次。

三、DC-DC 升壓電路工作原理

假設當前的電壓是 5V，需要將 5V 轉換為更高的電壓值，用 DC-DC 升壓電路就可以實現，這里假設我們是管道工。

1、渦輪加速

首先我們需要加速渦輪。為此，節氣門打開，水快速排放，將部分能量傳遞給渦輪機，結果渦輪機開始旋轉。

DC-DC 升壓電路工作原理

2、填充壓力儲罐

油門關閉，由旋轉的渦輪飛輪半部推動的一部分水打開閥門并填充儲水箱，另一部分水在儲水箱提供的高壓下流向消費者，同時閥門防止水倒流。

DC-DC 升壓電路工作原理

3、從壓力儲罐發電并加速渦輪機

渦輪的速度開始下降。水不能再推動閥門，儲水箱仍有足夠的能量積累。然后油門再次打開，水開始快速旋轉渦輪。由于消費者從儲罐接收能量，因此流向消費者的能量不會停止，然后循環重復。

現在工作原理已經很清楚了，我們將從管道設備切換到電子設備。

DC-DC 升壓電路工作原理

我們用感應節流閥代替了渦輪機。晶體管用于代替控制水流的節流閥。二極管起閥門作用，用電代替儲壓罐。

下面就可以很好的理解，DC-DC 升壓電路的工作原理。

1、電感累積電荷

開關已關閉，電感通過從源接收電流來積累能量。

DC-DC 升壓電路工作原理

2、將能量轉移到電容

開關打開，線圈保持磁場中積累的能量。電流試圖保持在同一水平，但來自電感的額外能量會提高電壓，從而打開通過二極管的路徑。一部分能量流向消費者，而剩余能量在電容器中積累。

DC-DC 升壓電路工作原理

3、在電感中積累能量并將電荷轉移給消耗的電路

然后開關被鎖定，線圈再次開始積累能量，同時，消耗的從電容接收能量。

DC-DC 升壓電路工作原理

四、如何構建 DC-DC 升壓電路

在下面中，構建一個 1.5V 至 5V DC-DC 升壓轉換器，

1、構建 DC-DC 升壓 電路所需要的組件：

1.5V 直流電源

180uH 電感一個

1個1N3491 二極管

1個33uF 電容

一個 150 Ω 電阻

一個 MOSFET或JFET 開關晶體管

PWM 源，如Arduino Uno或555 定時器，可生成 50KHz、5V、75% 占空比

2、DC-DC 升壓電路工作原理圖

DC-DC 升壓電路