新人必看 升压式DC-DC变换器电路运行原理解析

对于刚刚开始接触和学习电路设计的新人来说，扎实的了解和掌握DC-DC变换器的运行情况，是非常有必要的。在平时的工作中，升压式DC-DC变换器作为一种比较常见的能量转换器，常常被应用在电力、光伏变电等系统中。本文将会就该种DC-DC变换器的电路运行原理，进行简要的分析和介绍，希望能够对各位设计人员的工作有所帮助。

这里我们以最基础的升压式DC-DC变换器作为对象进行分析，以便于大家理解。在正常工作的前提下，该种转换器的工作电路主要由升压电路及电压调节电路两大部分组成，下面我们将会分别为设计研发人员进行这两大部分电路的工作运行情况介绍。

该种升压DC-DC转换器的升压电路图如图1（a）所示。由图可知，该种升压电路由输出方波（脉冲）的振荡器、开关管vT、储能元件电感器L、单向导通二极管V_D及储能元件电容器C组成。由于开关管工作于开关状态，可用开关s来表示，如图1（b）所示。

图1

在转换器正常运行的状态下，当振荡器输出脉冲高电平时，开关管vT导通，相当于开关闭合，其发生过程如图2所示。此时，输入电压V_I经电感器L及开关s到地形成电感电流i_L，其运行过程如图3所示。到开关管关闭时，电感器电流到最大值P_K， 电感器中储存了能量。在开关管上有极小的导通电阻R_DS（on），所以开关管上有一个小的管压降V_on（sw）。

图2

图3

当该系统中的振荡器输出脉冲低电平时，开关管vT将会截止，相当于开关断开。输入电压V_IN叠加上储能元件电感器上的感应电压V_L（右正左负），经二极管VD向储能元件电容器C充电（充电电流i_C），电感器中的能量释放，如图4所示。由于振荡器频率较高一般几十千赫至上百千赫，所以经过一定时间，电容器上的电压V_C=V_IN+V_L-V_F。式中VF为二极管的正向压降。电感器上产生的感应电压V_L一般可达几十伏，所以V_C上的电压往往可达几十伏，V_IN一般仅1.5-3V。这就是升压电路的基本工作原理。在图3中我们可以看到，开关管上的最高电压等于V_L+V_IN。这里二极管VD主要起到一个堵塞作用，防止开关管导通时，充了电的电容器通过开关管对地放电。从图3可看出电感器的峰值电流I_PK要比供负载的平均电流大得多，一般为I_OUT的2-3倍。

图4

在了解了升压式DC-DC变换器的升压电路后，接下来我们再来看一下其电压调节电路的运行工作原理。从图1所给出的电路中可知，该电路在正常运行时并不稳压，如加上负载后，电压V_OUT会下降，并且其输出电压受振荡器的工作频率及电感器L大小的影响，输出电压V_OUT变化较大。为达到输出电压稳定，增加电压调节电路是必不可少的，增加稳压电路后的转换器电路系统如图5所示。它由检测输出电压的电阻分压器（R1、R2）、基准电压V_ref、误差放大器、脉冲宽度调制电路组成。

图5

在增加了这一稳压电路后，此时升压式DC-DC变换器中的输出电压与分压器电阻的关系式为（I+R1/R2）V_ref。此时，在电压调节电路中若负载电流I_OUT增加使V_OUT下降，则通过反馈改变脉冲宽度来使输出电压基本不变。其过程是I_OUT↑→V_OUT↓→A点电压↓→误差放大器输出电压↑→振荡器输出脉冲宽度↑→V_OUT↑。此时变换器的脉冲宽度增加与可输出电流的关系如图6所示。从图中我们可以看到，当脉冲宽度增加后，开关管导通时间增加，电感器的峰值电流增加，其平均负载电流也相应增加。

图6