然后，我們完成了一個(gè)設計過(guò)程，其中配置了模擬升壓轉換器的功率級，以用于混合信號、電池供電的設備。圖 2 顯示了我們創(chuàng )建的特定于應用程序的 LTspice 實(shí)現。
圖 2.在 LTspice 中實(shí)現的升壓轉換器原理圖。
在本文中，我們將使用相同的電路來(lái)探索使升壓轉換成為可能的電氣行為。
開(kāi)啟狀態(tài)
與降壓轉換器一樣，升壓轉換器有兩種基本工作狀態(tài)：一種是電源開(kāi)關(guān)閉合時(shí)（接通狀態(tài)），另一種是電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)（關(guān)斷狀態(tài)）。讓我們從開(kāi)啟狀態(tài)開(kāi)始。
當開(kāi)關(guān)導通時(shí)，來(lái)自輸入電源的電流被分流到地。它流經(jīng)電感器、開(kāi)關(guān)并進(jìn)入接地節點(diǎn)，如圖 3 所示。它不會(huì )流過(guò)二極管或到達電容器。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(kāi)啟狀態(tài)的升壓轉換器，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)升壓轉換器的路徑。
同時(shí)，負載電路需要穩定的電流供應：為了使圖表更加完整，我們需要包括負載電流（圖 4）。正如您所看到的，電容器在接通狀態(tài)期間放電并提供負載電流。
升壓轉換器處于開(kāi)啟狀態(tài)的圖，其中電源電流和負載電流的路徑由綠色箭頭指示。
圖 4.處于開(kāi)啟狀態(tài)的升壓轉換器。電源電流和負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，因為它是反向偏置的。
但我們怎么知道二極管是反向偏置的呢？關(guān)鍵的觀(guān)察結果是閉合開(kāi)關(guān)的阻抗非常低：因此 V SW節點(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(kāi)關(guān)導通。
認識到二極管在開(kāi)關(guān)周期的這一部分期間處于開(kāi)路，強調了輸出電容器的重要性，輸出電容器是開(kāi)關(guān)導通時(shí)可用于維持輸出電壓和提供負載電流的組件。還值得注意的是，二極管可防止輸出電壓通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)將電流驅動(dòng)回地。
關(guān)閉狀態(tài)
當開(kāi)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，當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電感器電流將繼續流動(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載（圖 5）。
處于關(guān)斷狀態(tài)的升壓轉換器圖，其中電流由綠色箭頭指示。
圖 5.關(guān)斷狀態(tài)下流經(jīng)升壓轉換器的電流。
實(shí)現提升
電容器充電的電壓可以超過(guò)系統中的電源電壓。從電容器的電容 (C)、存儲電荷 (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)有任何內容表明當接近系統電源電壓時(shí)電壓會(huì )趨于平穩。
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 )穩定在用于將電荷驅動(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。升壓轉換器的二極管充當電流單向閥，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，因為二極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，升壓轉換器將能量存儲在電感器的磁場(chǎng)中，然后將該能量傳輸到電容器，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。 |
