DC-DC变换之BOOST拓扑电路

众所周知，改变电压值最直接的方法就是交流电，通过变压器可以方便地改变电压值大小。但是，如果源电压和目标电压都是直流的话，通过变压器的这种方式就很麻烦：需要先转换成交流，改变电压之后再转换成直流，需要经过两次交直流转换。

那么，有没有直接直流转直流的电压变换电路呢？当然有！这就是DC-DC变换电路。

DC-DC电路又叫斩波电路，为什么是这个名字呢？因为这个电路的工作原理是，通过开关的控制把源电压分成一段一段的能量送到输出端，就像是把输出波形斩成了一段一段的，因此叫斩波电路。通过开关的斩波控制，再加上能量器件（电感、电容）的存储与释放，从而达到改变输出端电压值的目的。

基本的斩波电路有六种：降压斩波（buck）电路、升压斩波（boost）电路、升降压斩波（buck-boost）电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路。其中，前两种斩波电路是最基本的斩波电路。下面主要讲一下升压斩波电路，也就是boost电路。

顾名思义，boost电路的功能是升压，即输出电压比输入电压更高。boost电路主要应用于直流电动机传动、单相功率因数校正（PFC）电路，以及其他交直流电源中。

如下是boost电路最基本的拓扑图：

boost电路有两种工作过程：充电过程和放电过程。通过控制中间的开关器件来切换两个工作过程。

在分析两个工作过程切换工作之前，我们先假定中间的开关器件已经断开很久，其他器件已经运行到稳态。此时，输出电容上的电压等于输入电压（假定所有器件均为理想器件，忽略电感和二极管的压降）。

充电过程：中间的开关器件导通，Vin直接给电感充电，从理论上讲，电感上的电流会以一定的比率持续线性增加，此时二极管的作用是防止电容直接对地放电。

如下是等效电路图，导通的开关器件以导线代替。

放电过程：开关器件断开，由于电感器件的电流保持特性，电感上的电流不会直接变为0，而会由开关断开瞬间的值缓慢变为0。但是，此时原来的放电回路已经断开，因此电感只能通过其他路径放电。这个新的放电路径就相当于再给输出电容充电，输出电容两端的电压会持续升高，此时已经比输入电源的电压高了。

如下是等效电路图，断开的开关直接隐去。

通过控制开关器件以一定频率进行开关动作，电感持续进行充电——放电（给电容充电）过程，输出端会得到一个比输入端大的电压值。通过增加滤波电路可以将波动过滤，获得稳定的高于输入电压的一个输出电压值。

那么，如何控制输出电压的具体值呢？主要有三种方式：一种是控制开关周期不变，改变导通与关断的时间占比，即改变占空比的模式；二是导通时间不变，改变整个开关周期，即改变控制频率的模式；三是两种参数都能改变的模式。

至此，我们已经了解了boost电路的大概工作原理。那么，如何设计出一个好的boost电路呢？

首先要知道制约这个电路的关键点是什么，然后才能根据实际需求进行选型与调整。

制约boost电路的功率和效率的关键点，主要是开关管、整流管，以及电感损耗上。

电感不能选取磁通太小、导线太细的，否则无法存储足够能量，出现磁饱和（磁通太小）或者无法提供足够的瞬时功率（导线太细）；通常都需要很大的体积来实现这些参数。想要减小电感体积，可以通过提高电路的开关频率来实现。

整流管的选型不是最关键的，一般选取肖特基管即可，需要关注的参数是持续导通电流和导通压降。

开关管是关键器件，需要选取导通电阻尽量小的，并且能够承受足够的导通电流；同时，如果为了减小电感体积而增加工作频率，开关管需要有足够的开关速度。

总体来说，开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。

既然如此，提高转换效率就要从三个方面着手：

1、尽可能降低开关管导通时回路的阻抗，使电能尽可能多的转化为磁能；

2、尽可能降低负载回路的阻抗，使磁能尽可能多的转化为电能，同时回路的损耗最低；

3、尽可能降低控制电路的消耗，因为对于转换来说，控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的，不能转化为负载上的能量。

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审核编辑：汤梓红