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嵌入式硬件电子电路设计（二）开关电源BOOST升压电路

目录

升压电路原理

BOOST电路基本结构

BOOST电路工作过程分析

1. 开关导通阶段

2. 开关关断阶段

3. 稳定输出电压

BOOST电路工作的实际调研分析

1. 非同步BOOST电路

2. 同步BOOST电路

XL6009电路分析

SX1308电路分析

引言：前面已经讲述了Buck电路，降压电路，并且调研分析电路情况，接下来开始，我们要学习BOOST升压电路，在学习过程中可以不断的进行类比，像学协议一样，建立自己的知识体系。
在开始之前，我们先要认识到BOOST升压电路的原理，最关键的元器件就是电感，电感主要的作用就是电感上的电流不能突变，此为整个升压电路的灵魂所在！

升压电路原理

观察下图当SW闭合时，电流从正极流出，经过电感直接流向了负极

此时电感的电流是线性上升的，因为电感不能突变，所以电流会继续保持，因此电流为2.4A

所以Ua = 5Ω*2.4A = 12V，我们完成了升压，但是还是有很多缺陷，我们需要增加二极管以及电容，去无限到达接近12v的效果，如下图所示。

硬件构成如下

  1. 输入电源 (Vin)：提供初始的低电压。
  2. 开关元件：通常是一个功率MOSFET，用于控制电流流向电感。
  3. 电感 (L)：用于储存能量，升压过程中的关键元件。
  4. 二极管 (D)：在开关关断时，导通并允许电流从电感流向负载，防止电流回流。
  5. 输出电容 (Cout)：平滑输出电压，提供瞬时负载需求的电流。
  6. 反馈电路：监测输出电压，调整开关的占空比以保持输出电压稳定。

BOOST电路基本结构

Boost电路是一种用于升压（提高电压）电源的电路，通常使用在DC-DC转换器中。它的基本原理是通过电感器存储能量，然后在开关元件（如MOSFET）关闭时将能量释放到输出端，从而提高输出电压。Boost电路的典型应用包括：

  1. 电池供电设备：可以将电池的低电压升高，以驱动需要更高电压的设备。
  2. LED驱动：在LED应用中，常需要高于电源电压的电压。
  3. 能量采集：在低功耗设备中，可以将环境能量（如太阳能）升压供电。

Boost电路常见的拓扑结构包括升压转换器（Boost Converter），其效率通常较高，但在设计时需要考虑开关频率、输入输出电压范围、负载条件等因素。

上图进行分析，稳定电压输出的形成，当K接通时，Ui开始对L充电，流过L的电流iL开始增加，同时电流在L中也要产生反电动势eL，C向R放电，形成稳定电压Uo当K由接通转为关断的时候，为了保持励磁不变，L也会产生反电动势eL。eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反，但与电流的方向相同,在控制开关K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与反电动势eL之和。
在开关关断Toff期间，K关断，L把电流iLm转化成反电动势，与输入电压Ui串联迭加，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，R两端形成稳定电压输出Uo=Ui+EIBOOST输出电压高于输入，是一个升压电路。

BOOST电路工作过程分析

1. 开关导通阶段

  • 开关元件（如MOSFET）导通：在这个阶段，开关被闭合，电源电压（Vin）通过电感（L）供电。
  • 电感充电：电流从输入电源流过电感，电感中储存能量。此时，电感的电流逐渐增加，且电感两端的电压会与输入电压相等（V_L = Vin）。
  • 电流变化：电感中的电流随时间增加，能量以 12LI2\frac{1}{2} L I^221​LI2 的形式存储在电感中。

    • 2. 开关关断阶段

  • 开关元件关断：开关被打开，电源与电感断开。
  • 电感释放能量：电感中的储存能量通过二极管（D）流向输出负载（Vout）。此时，电感的电流会流向输出端，电感两端的电压会反向增加，形成一个高于输入电压的输出电压（Vout）。
  • 输出电压升高：根据电感的电流变化，输出电压可以通过公式 Vout=Vin×11−DV_{out} = V_{in} \times \frac{1}{1-D}Vout​=Vin​×1−D1​ 来计算，其中 D 是占空比，表示开关导通的时间占整个周期的比例。

    • 我们来具体分析动态过程，首先是开关导通。

    其次是开关闭合。

    3. 稳定输出电压

    为了保持输出电压的稳定，Boost电路通常会结合反馈控制系统。该系统监测输出电压并调整开关的占空比，以便在负载变化时自动调整。

    关键参数

  • 占空比 (D)：控制开关导通时间的比率，影响输出电压的大小。
  • 效率：Boost电路通常能达到较高的转换效率，但具体效率会受到开关频率、负载特性和组件损耗的影响。

    • 补充：位于上一章的BUCK电路中 电压跟占空比成线性关系，此BOOST电路中，占空比D跟电压呈反比关系。

    BOOST电路工作的实际调研分析

    首先我们针对BOOST电路进行迭代的探讨，如下所示同步与非同步。

    1. 非同步BOOST电路

  • 结构：通常使用一个开关（如MOSFET）和一个二极管。
  • 工作原理：
  • 当开关导通时，电感充电。
  • 当开关关断时，电感中的能量通过二极管释放到输出端。
  • 优点：
  • 设计简单，成本较低。
  • 适用于较低功率应用。
  • 缺点：
  • 二极管的正向压降会导致效率降低，特别是在高电流应用中。
  • 由于二极管的存在，不能实现快速的开关控制。
  • 参数的计算   

    • 2. 同步BOOST电路

  • 结构：使用一个开关（如MOSFET）和一个同步整流器（通常也是一个MOSFET）。
  • 工作原理：
  • 开关导通时，电感充电。
  • 开关关断时，另一个MOSFET代替二极管，将电感的能量转移到输出端，降低正向压降。
  • 优点：
  • 效率更高，特别是在高电流条件下，因为同步整流器的导通压降较低。
  • 更好的热管理和更高的功率密度。
  • 缺点：
  • 设计和控制复杂度增加，成本相对较高。
  • 需要额外的控制电路来驱动同步MOSFET。

    • XL6009电路分析

    SX1308电路分析

    所以我们调研后结合实际我们会发现，重点是，BOOST电路的精髓在于通过电感的能量储存和释放，实现对输入电压的升高。它利用开关元件的快速开关控制和电感的特性，以高效的方式将输入电源中的能量转换为更高的输出电压。

    作者：7yewh

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