一文详解升压转换器的升压性能

德州仪器 2025-02-15 226

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本期，我们将介绍升压转换器的升压性能相关知识

升压转换器可通过较低的输入电压提供较高的输出电压。要使“升压”达到理想效果，需要尽可能提高工作占空比。

升压控制器对其最大连续占空比有一个限制，此占空比通常在较低开关频率时为最高。如果超过此最大占空比，则会发生脉冲跳跃，这通常会造成不利影响，应予以避免。许多控制器的最大占空比在80%至90%之间，如果它们以极低的开关频率运行，占空比可能会增加几个百分点。低开关频率需要更大的元件和更大的电路板面积。但即使在低开关频率下工作，也可能无法获得足够的升压。那么要怎么做呢？

图 1 展示了传统升压转换器功率级的简化版原理图。它的主要优势在于元件数量少，具有标准电感器，并且能够实现简单的低侧升压控制器。然而，该基础升压的一个关键限制是，假设最大占空比为90%，它只能提供10:1的最大升压比。如果您需要更大的升压，可以尝试将反激式或升压转换器与倍增电荷泵搭配使用。添加到升压装置的电荷泵适用于低输出电流，但需要额外元件才能实现。反激式拓扑也是一种合理的解决方案。但是，存在一种更简单的解决方案，其中的变压器引脚更少，匝数比更低且漏电感更低。

升压转换器

图 1. 传统的单电感器升压转换器功率级

图 2 展示了自动变压器升压转换器。它同芯串联了两个绕组，充当无隔离的变压器。与反激式相比，将初级绕组与次级绕组串联可降低所需的匝数比，同时所需的引脚也较少。

升压转换器

图 2. 自动变压器升压转换器提供比传统升压转换器更高的输出电压

方程式 1 表示对于给定的 Vin、Vout 和 n2/n1 匝数比，在连续导通模式 (CCM)下运行的占空比（忽略场效应晶体管 [FET] 和电流检测电阻器压降）：

升压转换器

方程式 1

您可以看到，n2/n1 匝数比大时，占空比会降低。这有利于提供更高的输出电压。方程式 2 求解 Vout 的表达式：

升压转换器

方程式 2

您可以看到，如果 n2/n1 = 0，则表达式与传统升压转换器的表达式相同。因此，对于非零 n2/n1 匝数比，Vout 会增加额外的数量，等于 (n2/n1)*Vin*d/(1-d)，因此输出电压可能会高得多。

图 3 绘制了在多个 n2/n1 匝数比（包括零，对应于传统升压）下的升压比、Vout/Vin 与占空比用于比较。占空比为 90% 时，传统升压转换器的比率为 10，而 n2/n1 = 1 时的比率为 19，因此可以达到输出电压的近两倍。您可以使用标准耦合电感器轻松实现 1:1 n2/n1 的比率，其中许多电感器都是现成的。较大的匝数比可提供明显更高的输出电压。

升压转换器

图 3. 抽头电感器可减小占空比并实现更高的输出电压

您通常会根据设计规格了解升压比。最大实际占空比由所选的控制器和所需的开关频率决定。图 4 展示了如何轻松确定所需的匝数比。例如，假设您需要从 10V 输入提供 250V 输出，并希望将最大占空比限制为 80%。选择 250V/10V = 25 的升压比，然后按照蓝色曲线 (d = 0.8) 进行计算；所需的 n2/n1 为 5。

方程式 3 展示了 FET 在关断时的电压应力，方程式 4 展示了整流器反向电压应力：

升压转换器

方程式 3

升压转换器

方程式 4

对于上面的设计示例，FET 和整流器电压应力分别为 50V 和 300V。FET 电压应力大大低于传统升压转换器，传统升压转换器的电压应力大约为 250V。由于会出现漏电感，因此可能需要使用电阻-电容缓冲器来减少振铃。

升压转换器

图 4. 通过选择升压比率和最大占空比来确定所需的匝数比

在CCM 升压转换器中实现自动变压器具有多种优势。只需添加一个绕组，即可使输出电压升高至超过传统升压转换器的水平。它可减小工作占空比，从而实现更高的开关频率、更小的元件尺寸和更低的 FET 电压。更小的占空比也可以提供更广泛的控制器选择，以前在传统升压转换器中实施时，这些控制器无法以足够高的占空比运行。

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