dc/dc 升压转换器

升压转换器在电子产品中用于产生大于直流输入的直流输出电压，从而提高电源电压。升压转换器通常用于白光 LED 的电源、电动汽车的电池组和许多其他应用。升压转换器将能量存储在电感的磁场中，并通过开关电路将其传输到负载。从电感的磁场传输能量可以在单级中增加直流输出。本视频将说明升压转换器的结构，并研究改变转换器的工作条件如何影响其输出电压。

这种简单的升压转换器电路由一个连接到电感器和一个开关的输入 DC 电压源组成。开关可以是双极晶体管、MOSFET 或其他类似的电子设备，它们交替连接和断开电感器与电源的公共线。阻断二极管将电感器连接到电容器，该电容器过滤输出电压中的纹波。增加电容会减小纹波。对于足够大的电容，输出变为稳定的直流电压。数字脉冲序列打开或关闭开关。脉冲具有占空比，即导通时间与周期的比率。占空比可能从 0 变化，也可以随着准时率的增加而增加到 1。当脉冲导通时，开关闭合，电感器在电源电压范围内连接。在这种状态下，连接到电源输出端的电感端子具有较高的电位，而连接到公共端的端子具有较低的电位。现在，电流流过电感器，随着时间的推移呈线性增加，以实现足够高的开关频率。在此期间，电感电压定义为正，因为电流随时间变化的斜率为正。电感器存储的能量与其磁场中电流的平方成正比。电感器连接到电源的时间越长，电流增加就越大，存储的能量就越多。当开关打开时，通过电感的电流必须继续沿同一方向流动。这个电流也会减小，因为电感现在向负载释放能量。电感电压变为负，因为电流随时间变化的斜率为负。因此，电感的极性翻转，现在增加输入电压"V in"，在输出端产生更高的电位。处于这种状态的电路正向偏置二极管，电感器放电电流，一些流向负载，一些流向电容器，然后存储电荷。当开关再次闭合时，二极管变为反向偏置，从而断开电感与输出的连接，并防止负载短路。在此期间，电感器充电，电容器代替它为负载提供电流。电容器充电和放电的这个周期会产生一个平均输出电压，并带有一定量的纹波。在足够高的开关频率下，电容器的充电和放电时间很短，输出达到稳态电压，纹波相对较小。这个开关周期无限重复，是 boost 转换器工作的基础。理想情况下，平均输出电压会随着占空比的增加而增加，占空比为 1 会产生无限电压。然而，升压转换器中的寄生元件和电阻将 D 的有用值限制为最大值约为 0.7 或 0.8。如果 D 足够大，则寄生效应将主导电路工作，即使 D 继续增加，输出电压也会降低。在下面的实验中，我们将研究升压转换器如何在连续导通模式（也称为 CCM）下升压，即电感器始终以非零电流工作的情况。

本实验中的输出电压限制为 50 伏直流电或更低。仅使用指定的占空比、频率、输入电压和负载。这些实验利用了 HiRel Systems Power Pole Board，该板专为不同 DC-DC 转换器电路拓扑的实验而设计。在信号电源开关 S90 关闭的情况下，将 +/- 12 伏信号电源插入 den 连接器 J90。将 PWM 控制选择跳线 J62 和 J63 设置为开环位置。将 DC 电源调整为正 10 V，但不要将电源输出连接到主板。接下来，使用下部 MOSFET、上部二极管和 BB 磁性板构建电路。记录 BB 磁板上的电感值。负载电阻是一个功率电位器。使用万用表测量其电阻，同时将其调整为 20 欧姆。然后将电位器连接在端子 V1+ 和 COM 之间。将开关选择器组 S30 设置如下：PWM 到底部 MOSFET，使用板载 PWM，并关闭负载。将示波器的差分探头连接在端子 16 和端子 12 之间，端子 12 是源极。打开开关 S90。驱动 MOSFET 的脉冲序列应出现在示波器的屏幕上。选择范围的时间轴以显示此波形的多个时间段。设置频率调节电位器 RV60 以产生 100 kHz 的开关频率。设置占空比电位计 RV64，使脉冲的导通时间为 1 微秒，对应于 0.1 的占空比。

将直流电源连接到输入端子 V2+ 和 COM。要测量电感电流，请在端子 CS5 和 COM 之间连接差分示波器探头。要测量负载电阻 RL 两端的电压，请在端子 V1+ 和 COM 之间连接另一个差分探头。输出电压应为三角波。当升压转换器开关打开且电感器将能量传输到负载时，会出现向上的斜坡。当开关闭合、电感器与输出断开以及电容器为负载提供能量时，会出现下降斜坡。电感电流是一个三角波，在脉冲序列的导通时间内线性上升，然后在关断时间内线性下降。偏移量是平均电流。使用示波器的内置测量功能，测量输出电压的平均值和电感电流的平均值。在输入 DC 电源设置为 8 伏、12 伏和 14 伏的情况下重复这些步骤。对于固定占空比，随着输入电压的增加，理想升压转换器的输出电压应按比例增加。

这部分实验测量的是脉冲序列的占空比，而不是电感电流。将示波器探头连接在端子 16 和 12 之间，它们分别是下部 MOSFET 的栅极和源极。将输入直流电源连接到端子 V2+ 和 COM。和以前一样，输出电压是电感器和电容器交替向负载提供电流产生的三角波。MOSFET 的栅极源极电压是频率为 100 kHz 的数字脉冲序列，周期为 10 微秒，导通时间为 1 微秒。测量输出电压的平均值和栅极到源电压的导通时间，以及直流电源的输入电流和电压读数。在调整占空比电位计 RV64 后重复此测试，使脉冲流的导通时间为 2 微秒、4 微秒和 6 微秒，分别对应于 0.2、0.4 和 0.6 的占空比。

随着占空比 D 的增加，升压转换器的输出电压也会增加。理想情况下，如果 D 的值为 0.2，则 10 伏的输入会产生大约 12.5 伏的输出。如果 D 为 0.4，则输出约为 16.6 伏。如果 D 为 0.6，则输出约为 25 伏。一般来说，输出电压低于理想关系的预期，因为寄生元件会产生非理想的压降和不明的能量损失。当占空比接近 1 时，理论输出电压变得无限大。实际上，输出电压被限制在输入电压的 3 倍或 4 倍左右，寄生和非理想元件的影响会导致 D 变得足够高后输出电压降低。

升压转换器产生的输出电压大于输入电压，许多应用都采用它们来提高电源选择的灵活性。太阳能电池板的电压会随着太阳的位置、天气条件和阴影而变化。升压转换器通常用于提高太阳能电池板阵列的可变输出，以提供一致的电压馈入电网。电池供电的系统通常用于在不使用电源线的情况下为设备供电。为了实现必要的更高输出电压，电池单元通常会堆叠在一起。如果需要许多单元才能达到所需的输出，这可能会占用大量空间。相反，升压转换器用于提高电压，同时节省空间。

您刚刚观看了 Jove 的 Introduction to Boost Converters。现在，您应该了解升压转换器的工作原理，以及调整输入电压、占空比和频率如何影响输出电压。感谢观看。