開(kāi)關(guān)電源最常見(jiàn)的三種結構布局是降壓（buck）、升壓（boost）和降壓–升壓（buck-boost），這三種布局都不是相互隔離的。
今天介紹的主角是boost升壓電路，the boost converter（或者叫step-up converter），是一種常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。
下面主要從基本原理、boost電路參數設計、如何給Boost電路加保護電路三個(gè)方面來(lái)描述。
Part1 Boost電路的基本原理分析
Boost電路是一種開(kāi)關(guān)直流升壓電路，它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設計當中算是一種較為常見(jiàn)的電路設計方式。
首先，你需要了解的基本知識：
電容阻礙電壓變化，通高頻，阻低頻，通交流，阻直流；
電感阻礙電流變化，通低頻，阻高頻，通直流，阻交流；
假定那個(gè)開(kāi)關(guān)（三極管或者M(jìn)OS管）已經(jīng)斷開(kāi)了很長(cháng)時(shí)間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓。
下面要分充電和放電兩個(gè)部分來(lái)說(shuō)明這個(gè)電路。
充電過(guò)程
在充電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)閉合（三極管導通），等效電路如上圖，開(kāi)關(guān)（三極管）處用導線(xiàn)代替。這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線(xiàn)性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著(zhù)電感電流增加，電感里儲存了一些能量。
放電過(guò)程
如上圖，這是當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)（三極管截止）時(shí)的等效電路。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)（三極管截止）時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì )馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的電路已斷開(kāi)，于是電感只能通過(guò)新電路放電，即電感開(kāi)始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。
說(shuō)起來(lái)升壓過(guò)程就是一個(gè)電感的能量傳遞過(guò)程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過(guò)程中保持一個(gè)持續的電流。如果這個(gè)通斷的過(guò)程不斷重復，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。
Part2 Boost電路參數的設計
對于Boost電路，電感電流連續模式與電感電流非連續模式有很大的不同，非連續模式輸出電壓與輸入電壓，電感，負載電阻，占空比還有開(kāi)關(guān)頻率都有關(guān)系。而連續模式輸出電壓的大小只取決于輸入電壓和占空比。
輸出濾波電容的選擇
在開(kāi)關(guān)電源中，輸出電容的作用是存儲能量，維持一個(gè)恒定的電壓。
Boost電路的電容選擇主要是控制輸出的紋波在指標規定的范圍內。
對于Boost電路，電容的阻抗和輸出電流決定了輸出電壓紋波的大小。
電容的阻抗由三部分組成，即等效串聯(lián)電感（ESL），等效串聯(lián)電阻（ESR）和電容值（C）。
在電感電流連續模式中，電容的大小取決于輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率和期望的輸出紋波。在MOSFET開(kāi)通時(shí)，輸出濾波電容提供整個(gè)負載電流。
電感
在開(kāi)關(guān)電源中，電感的作用是存儲能量。
電感的作用是維持一個(gè)恒定的電流，或者說(shuō)，是限制電感中電流的變化。
在Boost電路中，選擇合適電感量通常用來(lái)限制流過(guò)它的紋波電流。
電感的紋波電流正比于輸入電壓和MOSFET開(kāi)通時(shí)間，反比于電感量。電感量的大小決定了連續模式和非連續模式的工作點(diǎn)。
除了電感的感量外，選擇電感還應注意它最大直流或者峰值電流，和最大的工作頻率。
電感電流超過(guò)了其額定電流或者工作頻率超過(guò)了其最大工作頻率，都會(huì )導致電感飽和及過(guò)熱。
MOSFET
在小功率的DC/DC變化中，Power MOSFET是最常用的功率開(kāi)關(guān)。MOSFET的成本比較低，工作頻率比較高。
設計中選取MOSFET主要考慮到它的導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
要求MOSFET要有足夠低的導通電阻RDS（ON）和比較低的柵極電荷Qg。
Part3 給Boost電路穿上保護衣
在前面部分，我們從充放電的角度了解了Boost電路以及 Boost電路參數的設計。
Boost電路作為一種非隔離的升壓電路，其結構簡(jiǎn)單，容易設計，成本低廉，被廣泛應用于各種不需要隔離的升壓場(chǎng)合，特別是有源PFC電路中應用最為廣泛。
較于BUCK或其他的隔離電路，BOOST電路的保護似乎更麻煩。
對于一般的保護電路而言，當輸入欠壓，過(guò)壓，輸出過(guò)流，短路，過(guò)壓，過(guò)溫度的時(shí)候，我們會(huì )要求電路會(huì )自動(dòng)關(guān)閉輸出，或實(shí)現打嗝式的保護，以利于后面的負載或電路受到及時(shí)的保護，避免損壞；但對于BOOST電路而言，因升壓電感，輸出整流二極管是串聯(lián)在輸入與輸出的回路中，即使是完全關(guān)閉MOSFET的驅動(dòng)，輸出也會(huì )有一個(gè)比輸入電壓低電感直流壓降跟二極管正向導通壓降的電壓，這也就是說(shuō)不能完全關(guān)閉輸出，沒(méi)有達到我們想要的保護效果。
下面有幾種解決方案，可以用來(lái)給BOOST電路保護。
①可以在輸入端加MOS作關(guān)斷保護。這個(gè)是一種很好的方法，但MOSFET的控制比較復雜，而且需要高電壓大電流的MOSFET，這樣會(huì )增大系統的成本，而且會(huì )降低可靠性。其結果是輸入端的電壓相對低些，而且加在輸入端更方便實(shí)現軟啟動(dòng)，減小對MOS的沖擊。但是由于輸出端電流更小，加在輸出端MOS功耗更小一點(diǎn)。
②對類(lèi)似產(chǎn)品，日本有要求輸出端必須有保險裝置，通常是加可恢復保險絲�？苫謴偷谋ｋU絲說(shuō)白了就是PTC，不適合大功率場(chǎng)合，而且會(huì )產(chǎn)生大量的損耗，把保險裝置加在輸出端比加在輸入端損耗相對小些，而且這種方式成本更低，經(jīng)濟實(shí)惠。
③可以用在母線(xiàn)上串接繼電器的方式，在關(guān)掉MOS的同時(shí)，同步切斷繼電器，使得主回路斷開(kāi)就可以切斷電流回路，進(jìn)一步保護二極管。繼電器是一個(gè)常見(jiàn)的保護方法，但也有壽命短，且在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)容易打火等缺點(diǎn)。
④如果不考慮成本和復雜性的話(huà)，完美的保護電路一定可以做的出來(lái)！但實(shí)際上，輸出短路是個(gè)例，為這個(gè)“意外”花過(guò)多的成本非常不值得。
圖注：第四種方案的電路設計圖
1：Vin端的Fuse必須要有，防止MOS擊穿造成安全隱患。
2：輸出短路時(shí)，受大電流沖擊的脆弱部件需要加強（圖中的Rsense )。
3: BOOST輸出電流通常遠小于輸入電流，更遠遠的小于短路時(shí)的大電流，因此使用PPTC（自恢復保險絲）是可行的。PPTC動(dòng)作電流可取輸出電流的2~3倍，正常時(shí)，PPTC損耗非常小。
4：Boost使能腳EN電壓由輸出取，一但短路后，EN=0V（電壓降在PPTC上），IC立即停止工作，輸出電壓降低到約等于輸入電壓，可以減小短路保護后的功耗，同時(shí)也降低PPTC兩端的電壓，來(lái)降低PPTC的功耗。
5：當輸出短路排除后，由于PPTC的存在，EN重新得電,IC啟動(dòng)，BOOST重新工作。
目前很少人關(guān)注這一塊，即使是目前各大廠(chǎng)商推出的PFC電路，只要后級一短路，后果都可想而知。保護最安全的方法是切斷輸入，目前的開(kāi)關(guān)器件有三極管，MOSFET，IGBT，繼電器，接觸器等，不同的開(kāi)關(guān)器件有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。 |
