一文教你巧妙克服升壓轉(zhuǎn)換器本身的性能限制

在設(shè)計和評估升壓轉(zhuǎn)換器時，我們發(fā)現(xiàn)有時未能達到預(yù)期的輸出電壓，其電壓要低于期望值。本文探討升壓拓撲本身的限制，以及如何克服這些限制。

我們使用升壓轉(zhuǎn)換器，從低輸入電壓生成高輸出電壓，使用開關(guān)穩(wěn)壓器和升壓拓撲可以輕松實現(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12 V輸入電壓生成24 V輸出電壓，電壓增益為2。

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

圖1. 升壓轉(zhuǎn)換器電路。

還可以使用占空比來表示電壓增益：

占空比和電壓增益是升壓轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)，表示在每個周期中，開關(guān)S開啟的時長。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)值會增大到接近于1，但不會達到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，還必須考慮可能達到的最大電壓增益。

電壓增益是升壓轉(zhuǎn)換器可能實現(xiàn)的最大輸出電壓與可用的輸入電壓的比值。我們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，所有電能從輸入端傳輸?shù)捷敵龆藭r，必須先暫時存儲起來。在開啟期間，也就是，在圖1中的開關(guān)S開啟期間，電能將暫時存儲在電感L中。此時，圖1中的二極管D會阻斷電流流動。

在關(guān)閉期間，電感L中暫時存儲的電能會放電。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單描述為：充電期間為VIN，關(guān)閉期間為VOUT?- VIN。

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

所以，RL和RLOAD的比值會影響可能的輸入和輸出電壓之間的比值，進而影響升壓轉(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24 V，輸出電壓為300 V，電流為160 mA，負載電阻為1.8 kΩ，電感RL的DCR為3 Ω。

圖2. 當負載電阻高達電感DCR (RL)的600倍時可能實現(xiàn)的電壓增益。

在該示例中，圖2顯示電壓增益可能達到約12.5（根據(jù)公式2演算得出）。但是，如果負載電阻降低（即：輸出電流增高），或者電感的DCR (RL)增高（即：電感尺寸減?。?，將會無法實現(xiàn)要求的電壓增益。

圖3顯示負載電阻和電感電阻的比值為300時的電壓增益曲線。此時，選擇RL為6 Ω，負載電阻為1.8 kΩ。

圖3. 當負載電阻高達電感DCR的300倍時可能實現(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，無法將24 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為300 V輸出電壓。所選的DCR，或者電感的RL太高了。

總之，在設(shè)計采用升壓拓撲的電路時，務(wù)必要確定可能達到的最大電壓增益。需要注意，它取決于負載電阻（也就是輸出電流）和電感的DCR。如果情況顯示似乎無法達到所需的電壓增益，可以選擇具有更低DCR的更大電感