一文理解BOOST電路的升壓原理

BOOST電路，一個(gè)作為硬件工程師熟悉的不能再熟悉的硬件電路。其在很多硬件領(lǐng)域都會(huì)運(yùn)用到。

就拿小白所在的手機(jī)/平板領(lǐng)域，其也用到了很多和BOOST相關(guān)的模塊化設(shè)計(jì)。例如屏幕的背光模塊，音頻功放的SMART PA模塊以及閃光燈驅(qū)動(dòng)模塊等等。雖用到了不同的IC，但其終究到底還是BOOST電路的延伸化設(shè)計(jì)。只要你能熟悉BOOST相關(guān)的知識，就能輕松了解其中的這些模塊設(shè)計(jì)的原理。即使在遇到陌生的升壓模塊電路的相關(guān)IC，你也能熟練的搭建其外圍電路。

說了那么多，接下來開始進(jìn)入我們的主題-BOOST電路。

首先，先上圖。

圖為最簡單的BOOST升壓電路的電路圖。主要包含了電源V1，肖特基二極管D1，功率電感L1，以及NMOS管Q1和電容C1,負(fù)載R1。

其中，MOS管的源極接地，柵極接入一定頻率的PWM波。

了解過MOS管的都知道，MOS管屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件。只要給予G極一定的電壓使得GS之間存在一定的壓差，滿足VGS>VGS(th)即可使MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)。PWM作為一定頻率的方波，其電平高低起伏變化。

當(dāng)G極為高電平時(shí)，此時(shí)MOS管導(dǎo)通，忽略DS壓降的情況下，可看作是一條導(dǎo)線。

當(dāng)G極為低電平時(shí)，此時(shí)MOS管關(guān)閉，可看作為斷路。

PWM高低電平不停的變化，也就造成了MOS管所在的支路，不停的導(dǎo)通與斷開。只要導(dǎo)通與關(guān)閉的頻率足夠的大，其就能輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓。

討論此電路，我還是分下面兩種場景進(jìn)行討論。

(1)MOS管由關(guān)閉到導(dǎo)通狀態(tài)：電路電流流向：V1正極→L1→V1負(fù)極。電源供電幾乎全部給了電感L1，電感進(jìn)行儲(chǔ)能。同時(shí)與負(fù)載并聯(lián)的C1此階段進(jìn)行放電，C1兩端的電壓不能突變。D1的存在，防止了C1對地放電。

(2)MOS管由導(dǎo)通到斷開狀態(tài)：電路電流流向：V1正極→L1→D1→R1→V1負(fù)極。由于電感屬于儲(chǔ)能元件，且具備電流不能突變的原因，所以此時(shí)流經(jīng)電感的電流，依舊保持和MOS管導(dǎo)通時(shí)的方向，且斷開狀態(tài)下，電感對外界釋放能量。

為了更好的理解其具備升壓的作用，我們可以簡單的將電感類比于一塊電池。在MOS管斷開的狀態(tài)下，電池內(nèi)部電流走向由負(fù)極→正極，外部電流由正極→負(fù)極。所以電感的兩端，左端看作為負(fù)極，右端則為正極。其剛好與V1串聯(lián)，也就相當(dāng)于兩塊電池串聯(lián)，其共同作用給與負(fù)載R1傳遞能量。此時(shí)負(fù)載電阻的電壓必定大于輸入電壓V1，因此也就達(dá)到了升壓的目的。

BOOST升壓的原理，我們知道了。其由MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉共同作用產(chǎn)生的。了解了原理，依舊不能忘記輸出電壓值的計(jì)算，其與哪些參數(shù)強(qiáng)相關(guān)。

電感存在電壓平衡秒伏定理。在開關(guān)電源中，即加在電感兩端的電壓乘以導(dǎo)通時(shí)間等于關(guān)斷時(shí)刻電感兩端電壓乘以關(guān)斷時(shí)間。在此電路中，忽略MOS管壓降與肖特二極管壓降等理想狀態(tài)下。

導(dǎo)通時(shí)，電感兩端電壓為Vin，導(dǎo)通時(shí)間DT。

關(guān)閉時(shí)，電感兩端電壓為Vo-Vin，關(guān)閉時(shí)間為(1-D)T。

所以VinDT=(Vo-Vin)(1-D)T。

Vo=VinD /(1-D) +Vin

Vo=Vin/(1-D)

所以，我們可以看出輸出的電壓值主要取決于輸入電壓值與PWM的占空比有關(guān)。其中，當(dāng)占空比為50%時(shí)，輸出電壓為輸入電壓的二倍。

講完了輸出電壓，接著講一講另一個(gè)值得關(guān)注的物理量-電感電流，其需要用到一個(gè)公式 UL=L*di /dt。

根據(jù)公式可以推出，電感電流值I與時(shí)間成正比與電感值成反比。因此，我們在用示波器測量流經(jīng)電感的電流波形時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其是存在一定斜率的直線，而并非我們常見的水平的直線。其中，MOS管導(dǎo)通與關(guān)閉的情況下，電感的極性會(huì)發(fā)生反向，因此看到的完整的電流的波形，應(yīng)該屬于折現(xiàn)的形狀。

因此也就有了仿真電路圖中，示波器里的粉紅色的波形。對于電感的選取也非常重要，其感值以及飽和電流都是值得關(guān)注的地方。具體怎么個(gè)選擇，這不是今天的文章所要討論的，我后面再專門做一期進(jìn)行推送。

BOOST電路作為非常重要的知識，作為硬件工程師都應(yīng)該要了解的電路。小白以簡潔的方式進(jìn)行了描述，希望大家能明白。