​了解升压转换器的操作

了解升压开关调节器如何产生高于其输入电压的输出电压。

在上一篇文章中，我们研究了升压转换器的基本拓扑结构（图1）。

升压转换器通用拓扑图。

•图1。通用拓扑结构。

然后我们完成了一个设计程序，其中我们配置了用于混合信号电池供电设备的模拟升压转换器的功率级。图2展示了我们创建的特定于应用程序的LTspice实现。

升压转换器LTSpice示意图。

•图2。LTspice中使用的升压转换器示意图。

在本文中，我们将使用相同的电路来探讨使升压转换成为可能的电气行为。

开关接通状态

与降压变换器一样，升压转换器具有两个基本操作状态：一个是当电源开关闭合时（接通状态），另一个是当电源开关打开时（断开状态）。让我们从接通状态开始。

当开关导通时，来自输入电源的电流被分流至接地。它流过电感器，流过开关，然后流入接地节点，如图3所示。不通过二极管或到达电容器。在此期间，电感器的电流上升，电感器“充电”，这意味着其磁场的能量含量增加。

显示处于接通状态的升压转换器的示意图，电源电流路径由绿色箭头表示。

•图3。接通状态下通过升压转换器的电源电流路径。

同时，负载电路需要一致的电流供应：为了使图表更加完整，我们需要包括负载电流（图4）。如图所示，电容器在接通状态下放电并提供负载电流。

升压转换器处于接通状态的示意图，电源电流和负载电流的路径由绿色箭头表示。

•图4。升压转换器处于接通状态。电源电流和负载电流均以绿色表示。

电感器正在充电，电容器正在放电，二极管由于反向偏置而阻断了两个方向的电流。

但是我们怎么知道二极管是反向偏置的呢？关键观察是闭合开关的阻抗非常低：因此VSW节点处的电压将接近0V。由于输出电压高于0V，二极管反向偏置，并且只要开关导通，就没有电流流过。

认识到二极管在开关循环的这一部分是开路强调了输出电容器的重要性，输出电容器是唯一可用于在开关接通时维持输出电压和传输负载电流的部件。还值得注意的是，二极管防止输出电压通过闭合开关将电流驱动回地。

关闭状态

当开关闭合时，电流流过电感器，我们知道电感的性质是抵抗电流变化。因此，当开关断开时，电感器电流将继续流动，采用唯一合理的可用路径：二极管。

在迫使其电流通过二极管的过程中，电感器必须提高节点VSW处的电压，直到二极管被正向偏置为止。为此，电感器必须产生至少等于（VOUT+VF）的VSW电压，其中VF表示二极管的正向电压。因此，电感器的右侧端子处的电压将大于VOUT以及大于VIN。

一旦二极管两端的电压足以导通，电流将从电源流过电感器和二极管，然后流入电容器和负载（图5）。

处于断开状态的升压转换器的示意图，其中电流由绿色箭头表示。

•图5。开关断开状态下流过升压转换器的电流。

实现提升

电容器的充电电压可超过系统中的电源电压。从与电容器的电容（C）、存储电荷（Q）和电压（V）相关的方程式中可以明显看出这一点：

如果把更多的电荷加到电容器的极板上，电压就会上升。这个方程式中没有任何内容表明当你接近系统的电源电压时，电压会变平。

然而，我们还需要考虑其他电气定律，并且电容器的电压通常不会增加到超过电源电压。电容器的电压自然地在用于将电荷驱动到其极板上的电压下变平。

为了成功地将电容器电压增加到驱动电压之外，我们需要将电荷“泵”入电容器中，并防止电荷回流到源中。升压转换器的二极管起到电流单向阀的作用，提供了两个动作：

电感器电流可流过二极管，并将电容器充电至高于VIN的电压。

电容器不能通过电感器放电回电源，因为二极管防止电流在该方向流动。

图6以绿色显示了来自电感器的电流，以红色显示了来自电容器的电流。

升压转换器处于关断状态的示意图，其中从电感器到电容器的电流由绿色箭头表示，从电容器朝向电感器的电流由红色箭头表示。红色箭头未到达电感器，而是停在二极管处。

•图6。二极管允许电流从电感器流向电容器，但不允许电流从电感器流向电容器。

简而言之，升压转换器将能量存储在电感器的磁场中，然后以这样的方式将能量传输到电容器，使得电容器的电压能够增加超过向电感器提供能量的源的电压。

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我希望本文能够帮助您了解升压转换器中的组件如何共同工作以产生高于其输入电压的调节输出电压。在下一篇文章中，我们将使用模拟的电压和电流波形来更全面地研究这个电路。