2.2　升压式变换器的工作原理

升压式DC/DC变换器，简称升压式变换器，英文为BoostConverter，也称Boost变换器，也是常用的DC/DC变换器之一。升压式变换器能将较低的直流电压变换成较高的直流电压，例如将1.5V或3.7V电压变换成12V或5V电压。降压式变换器的损耗较小，效率较高，主要应用于由电池供电的便携式设备，例如智能手机、智能水表和煤气表等。

2.2.1　升压式DC/DC变换器的拓扑结构

升压式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-2-1所示。图中U_I为直流输入电压，VT为功率开关管，VD为续流二极管（也称升压二极管），L为储能电感（也称升压电感），C为输出滤波电容，U_O为直流输出电压，R_L为外部负载电阻。脉宽调制器（PWM）用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。

图2-2-1　升压式DC/DC变换器的拓扑结构

2.2.2　升压式DC/DC变换器的工作原理

升压式DC/DC变换器的功率开关管VT在脉宽调制（PWM）信号的控制下，交替地导通与关断（也称截止），相当于一个机械开关高速地闭合与断开，其工作原理如图2-2-2所示。图2-2-2（a）和图2-2-2（b）分别示出了VT导通和关断时的电流路径，为了便于电路分析，图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。

当VT导通（即S闭合）时，如图2-2-2（a）所示，输入电压U_I直接加到储能电感L的两端，续流二极管VD截止。因为L上施加了U_I的电压，使其电流I_L线性地增加，电感储存的能量也在增加，电感的感应电动势为左“+”右“-”。在此期间，输入电流（即电感电流I_L）提供的能量以磁场能量的形式存储在储能电感L中。同时滤波电容C放电为负载R_L提供电流I_O，电容C的放电电流I₁与负载电流I_O相等。

图2-2-2　升压式DC/DC变换器的工作原理

当VT关断（即S断开）时，如图2-2-2（b）所示，由于电感电流不能发生突变，因此在L上就产生左“-”右“+”的感应电压，以维持通过电感的电流I_L不变。此时续流二极管VD导通，L上的感应电动势与U_I串联，储存在L中的磁场能量转化为电能，以超过U_I的电压向负载提供电流，并对输出滤波电容C进行充电。电感电流I_L为电容充电电流I₂和负载电流I_O的总和。

升压式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-2-3所示。PWM表示脉宽调制波形，t_ON为功率开关管VT的导通时间，t_OFF为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期。U_C为功率开关管VT的集电极电压波形。I_C为VT的集电极电流波形。I_F为升压二极管VD的电流波形，I_L为电感电流波形。可以看出，功率开关管VT导通时，其集电极电压U_C为零；在VT关断时，其集电极电压U_C等于输出电压U_O。在功率开关管VT导通期间，电感电流线性增加；在VT关断期间，电感电流线性减小。电感电流I_L是由VT的集电极电流I_C和升压二极管VD的电流I_F叠加形成的。

图2-2-3　升压式DC/DC变换器的电压及电流波形

升压式DC/DC变换器具有以下特点。

① 输出电压U_O＞U_I，故称之为升压式变换器。U_O与U_I的关系为U_O=U_I/（1-D），通过控制占空比D的大小就能改变输出电压。

② 输出电压U_O与输入电压U_I的极性相同。

③ 功率开关管VT承受的最大电压U_CE=U_O。

④ 功率开关管VT的集电极最大电流I_C=I_O/（1-D）。

⑤ 升压二极管VD的平均电流I_F=I_O。

⑥ 升压二极管VD承受的反向电压U_R=U_O。

升压式DC/DC变换器的集成电路产品有LM2577、MAX1599和LT3467等。