世界滾動(dòng):如何克服升壓轉(zhuǎn)換器本身的限制

作者：ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Frederik Dostal

【資料圖】

人們使用升壓轉(zhuǎn)換器，從低輸入電壓生成高輸出電壓。使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和升壓拓?fù)淇梢暂p松實(shí)現(xiàn)這種電壓轉(zhuǎn)換。但是，電壓增益本身存在限制。電壓增益是輸出電壓與輸入電壓的比值。如果從12V輸入電壓生成24V輸出電壓，電壓增益為2。

以一個(gè)工業(yè)應(yīng)用為例，需要從24V電源電壓生成300V輸出電壓，輸出電流為160mA。

圖1.升壓轉(zhuǎn)換器電路

還可以使用占空比來(lái)表示電壓增益：

占空比和電壓增益是升壓轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。占空比表示在每個(gè)周期中，開(kāi)關(guān)S開(kāi)啟的時(shí)長(zhǎng)。電壓增益表示輸出電壓超出輸入電壓的比例（因數(shù)）。

為了生成高電壓，占空比數(shù)值會(huì)增大到接近于1，但不會(huì)達(dá)到1。

選擇具有較高的最大占空比的升壓轉(zhuǎn)換器，似乎可以從低電源電壓生成高輸出電壓。但是，這不是唯一的決定因素。除了占空比限制，還必須考慮可能達(dá)到的最大電壓增益。

電壓增益是升壓轉(zhuǎn)換器可能實(shí)現(xiàn)的最大輸出電壓與可用的輸入電壓的比值。可以這樣理解升壓轉(zhuǎn)換器本身的限制：在使用升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，所有電能從輸入端傳輸?shù)捷敵龆藭r(shí)，必須先暫時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)。在開(kāi)啟期間，也就是，在圖1中的開(kāi)關(guān)S開(kāi)啟期間，電能將暫時(shí)存儲(chǔ)在電感L中。此時(shí)，圖1中的二極管D會(huì)阻斷電流流動(dòng)。

在關(guān)閉期間，電感L中暫時(shí)存儲(chǔ)的電能會(huì)放電。電感充電和放電都必須遵循電感規(guī)則。在每種情況下，電流由電感值和電感兩端的電壓差決定。電感兩端的電壓可以簡(jiǎn)單描述為：充電期間為V_IN，關(guān)閉期間為V_OUT- V_IN。

電壓增益較高時(shí)，關(guān)閉時(shí)間可能不夠長(zhǎng)，導(dǎo)致電感中暫時(shí)存儲(chǔ)的電能無(wú)法完全放電。因此，公式1中描述占空比的簡(jiǎn)化公式無(wú)法表述這種限制。只有同時(shí)考慮電感的直流電阻(DCR)和負(fù)載電阻時(shí)，最大電壓增益公式才算成立。參見(jiàn)公式2：

所以，R_L和R_LOAD的比值會(huì)影響可能的輸入和輸出電壓之間的比值，進(jìn)而影響升壓轉(zhuǎn)換器的電壓增益。該電壓增益可以如圖所示。圖2所示的示例中，輸入電壓為24V，輸出電壓為300V，電流為160mA，負(fù)載電阻為1.8kΩ，電感R_L的DCR為3Ω。

圖2.當(dāng)負(fù)載電阻高達(dá)電感DCR (R_L)的600倍時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的電壓增益

在該示例中，圖2顯示電壓增益可能達(dá)到約12.5（根據(jù)公式2演算得出）。但是，如果負(fù)載電阻降低（即：輸出電流增高），或者電感的DCR (R_L)增高（即：電感尺寸減小），將會(huì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)要求的電壓增益。

圖3顯示負(fù)載電阻和電感電阻的比值為300時(shí)的電壓增益曲線。此時(shí)，選擇R_L為6Ω，負(fù)載電阻為1.8kΩ。

圖3.當(dāng)負(fù)載電阻高達(dá)電感DCR的300倍時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的電壓增益

圖3顯示，在這種情況下，最大電壓增益僅為9。所以，無(wú)法將24V輸入電壓轉(zhuǎn)換為300V輸出電壓。所選的DCR，或者電感的R_L太高了。

總之，在設(shè)計(jì)采用升壓拓?fù)涞碾娐窌r(shí)，務(wù)必要確定可能達(dá)到的最大電壓增益。需要注意，它取決于負(fù)載電阻（也就是輸出電流）和電感的DCR。如果情況顯示似乎無(wú)法達(dá)到所需的電壓增益，可以選擇具有更低DCR的更大電感。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Frederik Dostal曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。

關(guān)鍵詞： 輸出電壓 負(fù)載電阻 輸入電壓 暫時(shí)存儲(chǔ) 可能達(dá)到