电源设计#8 从升压转换器获得更多升压

电路

升压转换器从较低的输入电压提供较高的输出电压。要获得最大的“升压”，需要最大化工作占空比。
升压控制器对其最大连续占空比有一个限制，通常在较低的开关频率下最高。如果超过此最大占空比，则会发生脉冲跳跃，这通常是不希望的，应避免。许多控制器的最大占空比在80％至90％的范围内，如果它们以非常低的开关频率工作，则可能会增加几个百分点。低开关频率需要更大的组件和更大的电路板面积。但是，即使在低开关频率下运行，您仍然可能无法获得足够的升压。所以，你可以做什么？
图1 显示了传统升压转换器功率级的简化示意图。它的主要优点是组件数量少，标准电感器以及实现简单的低侧升压控制器的能力。但是，此基本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。如果您需要更多升压，则可以尝试使用带有电荷泵倍增器的反激或升压转换器。添加到升压中的电荷泵适合于低输出电流，但需要额外的组件来实现。反激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，即更少的变压器引脚，更低的匝数比和更低的漏感。

图1传统的单电感升压转换器功率级。
图2 显示了一个自耦变压器升压转换器。它在同一磁芯上使用两个串联的绕组，该绕组的作用就像是没有隔离的变压器。与反激电路相比，将原边与副边串联可降低所需的匝数比，同时还需要更少的引脚。

图2自耦变压器升压转换器提供的输出电压比传统升压转换器高。
公式1表示对于给定的Vin，Vout和n2 / n1匝数比（忽略场效应晶体管[FET]和电流检测电阻压降），在连续导通模式（CCM）下工作的占空比：

您可以看到，对于较大的n2 / n1匝数比，占空比会降低。这对于提供更高的输出电压是有利的。公式2求解Vout的表达式：

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，对于非零的n2 / n1匝数比，Vout会增加等于（n2 / n1）* Vin * d /（1-d）的附加值，因此可能会有更高的输出电压。
图3 绘制了几种n2 / n1匝数比的升压比Vout / Vin与占空比的关系曲线，其中传统的升压比为零。在90％的占空比下，传统的升压比为10，而对于n2 / n1 = 1，升压比为19，从而使输出电压几乎提高了两倍。您可以使用标准耦合电感器轻松实现1比1的n2 / n1比率，其中许多电感器很容易获得。较大的匝数比可以提供更高的输出电压。

图3抽头电感器可降低占空比并实现更高的输出电压。
通常，您会根据设计规格了解升压比。最大实际占空比由选择的控制器和所需的开关频率确定。图4 显示了如何轻松确定所需匝数比。例如，假设您需要从10V输入中获得250V输出，并且希望将最大占空比限制为80％。选择250 V / 10 V = 25的升压比，并遵循蓝色曲线（d = 0.8）；所需的n2 / n1为5。
公式3显示了FET关断时的电压应力，而公式4显示了整流器反向电压应力：

对于上面的设计示例，FET和整流器的电压应力分别为50 V和300V。FET的电压应力大大低于传统的升压，传统的升压跨度约为250 V！由于将存在漏感，因此ñ 为了减少振铃，可能需要使用电阻电容缓冲器。

图4通过选择升压比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耦变压器具有多个优点。只需增加一个绕组，就可以增加输出电压，使其超过传统的升压转换器。它降低了工作占空比，从而实现了更高的开关频率，更小的元件尺寸和更低的FET电压。降低的占空比还可以提供更多的控制器选择，这些控制器以前在传统的升压转换器中实现时无法以足够高的占空比工作。