然后，我們完成了一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，其中配置了模擬升壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)，以用于混合信號(hào)、電池供電的設(shè)備。圖 2 顯示了我們創(chuàng)建的特定于應(yīng)用程序的 LTspice 實(shí)現(xiàn)。
圖 2.在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。
在本文中，我們將使用相同的電路來(lái)探索使升壓轉(zhuǎn)換成為可能的電氣行為。
開啟狀態(tài)
與降壓轉(zhuǎn)換器一樣，升壓轉(zhuǎn)換器有兩種基本工作狀態(tài)：一種是電源開關(guān)閉合時(shí)（接通狀態(tài)），另一種是電源開關(guān)打開時(shí)（關(guān)斷狀態(tài)）。讓我們從開啟狀態(tài)開始。
當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，來(lái)自輸入電源的電流被分流到地。它流經(jīng)電感器、開關(guān)并進(jìn)入接地節(jié)點(diǎn)，如圖 3 所示。它不會(huì)流過(guò)二極管或到達(dá)電容器。在此期間，電感器的電流逐漸增加，并且電感器正在“充電”，我的意思是其磁場(chǎng)的能量含量正在增加。
該圖顯示了處于開啟狀態(tài)的升壓轉(zhuǎn)換器，其中電源電流的路徑由綠色箭頭指示。
圖 3.接通狀態(tài)下電源電流通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器的路徑。
同時(shí)，負(fù)載電路需要穩(wěn)定的電流供應(yīng)：為了使圖表更加完整，我們需要包括負(fù)載電流（圖 4）。正如您所看到的，電容器在接通狀態(tài)期間放電并提供負(fù)載電流。
升壓轉(zhuǎn)換器處于開啟狀態(tài)的圖，其中電源電流和負(fù)載電流的路徑由綠色箭頭指示。
圖 4.處于開啟狀態(tài)的升壓轉(zhuǎn)換器。電源電流和負(fù)載電流均以綠色表示。
電感器正在充電，電容器正在放電，而二極管則阻止兩個(gè)方向的電流，因?yàn)樗欠聪蚱玫摹?br>
但我們?cè)趺粗蓝䴓O管是反向偏置的呢？關(guān)鍵的觀察結(jié)果是閉合開關(guān)的阻抗非常低：因此 V SW節(jié)點(diǎn)上的電壓將接近 0 V。由于輸出電壓高于 0 V，因此二極管反向偏置，并且沒(méi)有電流流動(dòng)，如下所示：只要開關(guān)導(dǎo)通。
認(rèn)識(shí)到二極管在開關(guān)周期的這一部分期間處于開路，強(qiáng)調(diào)了輸出電容器的重要性，輸出電容器是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)可用于維持輸出電壓和提供負(fù)載電流的組件。還值得注意的是，二極管可防止輸出電壓通過(guò)閉合開關(guān)將電流驅(qū)動(dòng)回地。
關(guān)閉狀態(tài)
當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電流流過(guò)電感，我們知道電感的本質(zhì)是抵抗電流的變化。因此，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電感器電流將繼續(xù)流動(dòng)，采用合理的可用路徑：二極管。
在迫使電流流過(guò)二極管的過(guò)程中，電感器必須升高節(jié)點(diǎn) V SW處的電壓，直到二極管正向偏置。為此，電感器必須產(chǎn)生至少等于 (V OUT + V F ) 的 V SW電壓，其中 V F表示二極管的正向電壓。因此，電感器右側(cè)端子處的電壓將大于 V OUT以及大于 V IN。
一旦二極管兩端的電壓足以導(dǎo)通，電流就會(huì)從電源流出，流經(jīng)電感器和二極管，然后流入電容器和負(fù)載（圖 5）。
處于關(guān)斷狀態(tài)的升壓轉(zhuǎn)換器圖，其中電流由綠色箭頭指示。
圖 5.關(guān)斷狀態(tài)下流經(jīng)升壓轉(zhuǎn)換器的電流。
實(shí)現(xiàn)提升
電容器充電的電壓可以超過(guò)系統(tǒng)中的電源電壓。從電容器的電容 (C)、存儲(chǔ)電荷 (Q) 和電壓 (V) 的關(guān)系式可以明顯看出這一點(diǎn)：
V = QC
如果向電容器極板注入更多電荷，電壓就會(huì)升高。該方程中沒(méi)有任何內(nèi)容表明當(dāng)接近系統(tǒng)電源電壓時(shí)電壓會(huì)趨于平穩(wěn)。
然而，我們還需要考慮其他電氣定律，通常電容器的電壓不會(huì)增加到超過(guò)電源電壓。電容器的電壓自然會(huì)穩(wěn)定在用于將電荷驅(qū)動(dòng)到其極板上的電壓。
為了成功地將電容器電壓提高到驅(qū)動(dòng)電壓以上，我們需要將電荷“泵入”電容器并防止電荷流回電源。升壓轉(zhuǎn)換器的二極管充當(dāng)電流單向閥，可提供以下兩種作用：
電感器電流可以流過(guò)二極管并將電容器充電至高于 V IN的電壓。
電容器無(wú)法通過(guò)電感器放電回電源，因?yàn)槎䴓O管阻止電流沿該方向流動(dòng)。
圖 6 顯示了來(lái)自電感器（綠色）和電容器（紅色）的電流。
處于關(guān)斷狀態(tài)的升壓轉(zhuǎn)換器圖，其中電流從電感器流向電容器，由綠色箭頭指示，電流從電容器流回電感器，由紅色箭頭指示。 紅色箭頭沒(méi)有到達(dá)電感器，而是停在二極管處。
圖 6.二極管允許電流從電感器流向電容器，但反之則不然。
簡(jiǎn)而言之，升壓轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在電感器的磁場(chǎng)中，然后將該能量傳輸?shù)诫娙萜�，從而使電容器的電壓可以增加到超過(guò)向電感器提供能量的源的電壓。 |
