了解升压转换器的工作原理

然后，我们完成了一个设计过程，其中配置了模拟升压转换器的功率级，以用于混合信号、电池供电的设备。图 2 显示了我们创建的特定于应用程序的 LTspice 实现。

   
图 2.在 LTspice 中实现的升压转换器原理图。

在本文中，我们将使用相同的电路来探索使升压转换成为可能的电气行为。

开启状态

与降压转换器一样，升压转换器有两种基本工作状态：一种是电源开关闭合时（接通状态），另一种是电源开关打开时（关断状态）。让我们从开启状态开始。

当开关导通时，来自输入电源的电流被分流到地。它流经电感器、开关并进入接地节点，如图 3 所示。它不会流过二极管或到达电容器。在此期间，电感器的电流逐渐增加，并且电感器正在“充电”，我的意思是其磁场的能量含量正在增加。

该图显示了处于开启状态的升压转换器，其中电源电流的路径由绿色箭头指示。

图 3.接通状态下电源电流通过升压转换器的路径。

同时，负载电路需要稳定的电流供应：为了使图表更加完整，我们需要包括负载电流（图 4）。正如您所看到的，电容器在接通状态期间放电并提供负载电流。

升压转换器处于开启状态的图，其中电源电流和负载电流的路径由绿色箭头指示。

图 4.处于开启状态的升压转换器。电源电流和负载电流均以绿色表示。

电感器正在充电，电容器正在放电，而二极管则阻止两个方向的电流，因为它是反向偏置的。

但我们怎么知道二极管是反向偏置的呢？关键的观察结果是闭合开关的阻抗非常低：因此 V SW节点上的电压将接近 0 V。由于输出电压高于 0 V，因此二极管反向偏置，并且没有电流流动，如下所示：只要开关导通。

认识到二极管在开关周期的这一部分期间处于开路，强调了输出电容器的重要性，输出电容器是开关导通时可用于维持输出电压和提供负载电流的组件。还值得注意的是，二极管可防止输出电压通过闭合开关将电流驱动回地。

关闭状态

当开关闭合时，电流流过电感，我们知道电感的本质是抵抗电流的变化。因此，当开关打开时，电感器电流将继续流动，采用合理的可用路径：二极管。

在迫使电流流过二极管的过程中，电感器必须升高节点 V SW处的电压，直到二极管正向偏置。为此，电感器必须产生至少等于 (V OUT + V F ) 的 V SW电压，其中 V F表示二极管的正向电压。因此，电感器右侧端子处的电压将大于 V OUT以及大于 V IN。

一旦二极管两端的电压足以导通，电流就会从电源流出，流经电感器和二极管，然后流入电容器和负载（图 5）。

处于关断状态的升压转换器图，其中电流由绿色箭头指示。

图 5.关断状态下流经升压转换器的电流。

实现提升

电容器充电的电压可以超过系统中的电源电压。从电容器的电容 (C)、存储电荷 (Q) 和电压 (V) 的关系式可以明显看出这一点：

V = QC

如果向电容器极板注入更多电荷，电压就会升高。该方程中没有任何内容表明当接近系统电源电压时电压会趋于平稳。

然而，我们还需要考虑其他电气定律，通常电容器的电压不会增加到超过电源电压。电容器的电压自然会稳定在用于将电荷驱动到其极板上的电压。

为了成功地将电容器电压提高到驱动电压以上，我们需要将电荷“泵入”电容器并防止电荷流回电源。升压转换器的二极管充当电流单向阀，可提供以下两种作用：

电感器电流可以流过二极管并将电容器充电至高于 V IN的电压。

电容器无法通过电感器放电回电源，因为二极管阻止电流沿该方向流动。

图 6 显示了来自电感器（绿色）和电容器（红色）的电流。

处于关断状态的升压转换器图，其中电流从电感器流向电容器，由绿色箭头指示，电流从电容器流回电感器，由红色箭头指示。 红色箭头没有到达电感器，而是停在二极管处。

图 6.二极管允许电流从电感器流向电容器，但反之则不然。

简而言之，升压转换器将能量存储在电感器的磁场中，然后将该能量传输到电容器，从而使电容器的电压可以增加到超过向电感器提供能量的源的电压。