UC頭條：Boost電路的工作過程

青松青又青 2023-05-28 發(fā)布于貴州

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Boost電源電路是一種DC-DC升壓電路，能夠將低電壓升高到較高電壓。其基本原理是利用電感儲能和電容儲能的方式，通過開關管的開關控制，將輸入電壓進行短時間內的變化，從而使輸出電壓得到升壓。通過調整開關管的開關頻率和占空比，可以控制輸出電壓的大小和穩(wěn)定性。

1.Boost電路的控制器和轉換器開關電源的主要部件包括：輸入源、開關管、儲能電感、控制電路、二極管、負載和輸出電容。如果功率不是特別大，IC廠家會將開關管、控制電路、二極管集成到一顆電源管理芯片中，極大簡化了外部電路。

按照是否集成MOSFET，可以將電源IC分類為轉換器、控制器。從集成度來看，Boost變換器也可以這樣分類，分為集成MOSFET的Boost轉換器，以及外置MOSFET的Boost控制器。低功耗升壓轉換器可滿足對小尺寸解決方案、低成本和高功率密度的需求,不需要外接MOSFET，電路更簡單，成本更低，PCB布局更緊湊，如圖6.1所示。

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圖6.1Boost變換器（電源芯片集成MOSFET）

或者有些Boost變換器集成了一個MOSFET，二極管外置，實現(xiàn)一個非同步Boost電路，如圖6.2所示。

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圖6.2Boost變換器（電源芯片集成一個MOSFET，不集成二極管）

如果電源芯片不集成MOSFET，則可以通過外接MOSFET或者二極管，實現(xiàn)更高的功率級別，我們則把這樣的Boost電路的芯片稱為Boost控制器，如圖6.3所示。

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圖6.3Boost控制器（電源芯片不集成MOSFET）

2.同步控制器與非同步控制器同步Boost和非同步Boost都是DC-DC升壓電路，它們都能夠將低電壓升高到較高電壓。它們之間的區(qū)別在于控制方式和效率。跟Buck一樣，Boost也有用MOSFET替代二極管來應對更高功率場景的。

（1）控制方式

同步Boost電路在電路中添加同步開關管，與電感共同完成能量轉換。非同步Boost電路只有一個開關管，它通過開關管和電感的關系來控制電能的儲存和輸出。

（2）效率

同步Boost電路的效率一般比非同步Boost電路高，因為同步Boost電路的同步開關管可以減少開關管導通時的能量損失，從而提高轉換效率。

然而，同步Boost電路的成本相對較高，而且對于高功率應用來說，同步開關管需要承受更大的電流和電壓，這也會導致一定的損耗和熱量產生。因此，對于一些低功率應用，非同步Boost電路可能更為經濟和實用。

同步Boost和非同步Boost各有其適用場景。需要根據具體的應用場景和需求選擇適合的電路。非同步Boost電路和非同步Buck一樣，有一個二極管進行續(xù)流，如圖6.4所示，左圖為變換器，右圖為控制器。

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圖6.4非同步Boost電路

在同步Boost電路中，使用MOSFET代替二極管。因此，需要一個額外的柵極驅動器用于同步MOSFET，如圖6.5所示。

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圖6.5同步Boost電路

3.Boost電路的工作過程我們以非同步Boost電路為例，基本工作過程如下：

（1）在電路的輸入端（Vin）輸入低電壓直流電源。

（2）輸入電壓進入開關管，開始充電。同時，電感中的電流也開始增加，儲存電能。

（3）當開關管關閉時，電感中的電流將繼續(xù)流動，并通過二極管輸出到電容上。在這個過程中，電容被充電，使輸出電壓逐漸升高。

（4）當輸出電壓升高到一定程度后，電路中的反饋控制電路將通過反饋信號控制開關管的開關頻率和占空比，以使輸出電壓保持穩(wěn)定。

（5）在電路的輸出端接上負載，電路會不斷監(jiān)測輸出電壓，并通過反饋控制電路動態(tài)調整開關管的開關頻率和占空比，以保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

我們重點理解，充電和放電兩個部分，通過理解充電和放電的過程來理解Boost電路的工作原理和工作過程。

第一部分：充電

如果控制器把MOSFET控制導通。電源對電感進行充電，如圖6.6所示：

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圖6.6當MOSFET打開時，Boost電路的等效電路

當開關管導通的時候，電感接地，二極管截止，此時輸入電源對電感進行充電，電流的方向由左向右流動，電感左＋右－，電感兩端電壓即是輸入電壓。

在充電過程中，MOSFET導通，開關(MOSFET)處用導線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管反向截止，防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。

第二部分：放電

當開關斷開(MOSFET截止)時的等效電路如圖6.7所示。

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圖6.7當MOSFET關閉時，Boost電路的等效電路

當開關斷開(MOSFET截止)時，由于電感的電流保持特性，流經電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經高于輸入電壓了。升壓完畢。

說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流。如果這個通斷的過程不斷重復，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

4.Boost電路升壓原理在Boost電路中，當MOSFET打開時，電感電流持續(xù)增加，當MOSFET關閉時，電感電流持續(xù)減少，如圖6.8所示。

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圖6.8開關過程中電感電流變化曲線

當開關管不導通的時候，此時電感已經被沖上電，由楞次定理可知，此時電感的電流不會立即減小到0，電流的方向依然由左向右，二極管導通，導通后就存在導通壓降。電感兩端電壓，這個輸出電壓就是Boost升壓，電感在開關管關斷時，電感放電，給輸出濾波電容和負載充電。

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：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;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;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。

5.同步Boost電路的死區(qū)時間同步Boost電路中，死區(qū)時間是指在同步開關管導通或關閉時，為了避免兩個MOSFET同時導通而導致的瞬態(tài)過流和損耗，需要設置兩個開關管的導通之間的時間間隔，稱為死區(qū)時間，如圖6.9中的td1和td2。

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圖6.9開關過程中死區(qū)時間示意圖

死區(qū)時間也可以稱為交叉導通時間或交叉關閉時間。通常，同步Boost電路的死區(qū)時間設置為幾十納秒到幾微秒之間，與輸入電壓和溫度都有關系，如圖6.10所示?？梢酝ㄟ^實驗或模擬計算的方式，確定合適的死區(qū)時間，并在電路中設置對應的死區(qū)時間控制電路，來保證電路的穩(wěn)定性和效率。