【導(dǎo)讀】開關(guān)電源最常見的三種結(jié)構(gòu)布局是降壓（buck）、升壓（boost）和降壓–升壓（buck-boost），這三種布局都不是相互隔離的。
開關(guān)電源最常見的三種結(jié)構(gòu)布局是降壓（buck）、升壓（boost）和降壓–升壓（buck-boost），這三種布局都不是相互隔離的。
今天介紹的主角是 boost 升壓電路，the boost converter（或者叫 step-up converter），是一種常見的開關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。
下面主要從基本原理、boost 電路參數(shù)設(shè)計、如何給 Boost 電路加保護(hù)電路三個方面來描述。
01 Boost 電路的基本原理分析
Boost 電路是一種開關(guān)直流升壓電路，它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設(shè)計當(dāng)中算是一種較為常見的電路設(shè)計方式。
首先，你需要了解的基本知識：
電容阻礙電壓變化，通高頻，阻低頻，通交流，阻直流；
電感阻礙電流變化，通低頻，阻高頻，通直流，阻交流；
假定那個開關(guān)（三極管或者 MOS 管）已經(jīng)斷開了很長時間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓。
下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。
充電過程：
在充電過程中，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），等效電路如上圖，開關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。
放電過程：
如上圖，這是當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?0，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?0。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。
說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流。如果這個通斷的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。
02 Boost 電路參數(shù)的設(shè)計
對于 Boost 電路，電感電流連續(xù)模式與電感電流非連續(xù)模式有很大的不同，非連續(xù)模式輸出電壓與輸入電壓，電感，負(fù)載電阻，占空比還有開關(guān)頻率都有關(guān)系。而連續(xù)模式輸出電壓的大小只取決于輸入電壓和占空比。
輸出濾波電容的選擇：
在開關(guān)電源中，輸出電容的作用是存儲能量，維持一個恒定的電壓。
Boost 電路的電容選擇主要是控制輸出的紋波在指標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。
對于 Boost 電路，電容的阻抗和輸出電流決定了輸出電壓紋波的大小。
電容的阻抗由三部分組成，即等效串聯(lián)電感（ESL），等效串聯(lián)電阻（ESR）和電容值（C）。
在電感電流連續(xù)模式中，電容的大小取決于輸出電流、開關(guān)頻率和期望的輸出紋波。在 MOSFET 開通時，輸出濾波電容提供整個負(fù)載電流。
電感：
在開關(guān)電源中，電感的作用是存儲能量。
電感的作用是維持一個恒定的電流，或者說，是限制電感中電流的變化。
在 Boost 電路中，選擇合適電感量通常用來限制流過它的紋波電流。
電感的紋波電流正比于輸入電壓和 MOSFET 開通時間，反比于電感量。電感量的大小決定了連續(xù)模式和非連續(xù)模式的工作點。
除了電感的感量外，選擇電感還應(yīng)注意它最大直流或者峰值電流，和最大的工作頻率。
電感電流超過了其額定電流或者工作頻率超過了其最大工作頻率，都會導(dǎo)致電感飽和及過熱。
MOSFET：
在小功率的 DC/DC 變化中，Power MOSFET 是最常用的功率開關(guān)。MOSFET 的成本比較低，工作頻率比較高。
設(shè)計中選取 MOSFET 主要考慮到它的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。
要求 MOSFET 要有足夠低的導(dǎo)通電阻 RDS（ON）和比較低的柵極電荷 Qg。
03 給 Boost 電路穿上保護(hù)衣
在前面部分，我們從充放電的角度了解了 Boost 電路以及 Boost 電路參數(shù)的設(shè)計。
Boost 電路作為一種非隔離的升壓電路，其結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計，成本低廉，被廣泛應(yīng)用于各種不需要隔離的升壓場合，特別是有源 PFC 電路中應(yīng)用最為廣泛。
較于 BUCK 或其他的隔離電路，BOOST 電路的保護(hù)似乎更麻煩。
對于一般的保護(hù)電路而言，當(dāng)輸入欠壓，過壓，輸出過流，短路，過壓，過溫度的時候，我們會要求電路會自動關(guān)閉輸出，或?qū)崿F(xiàn)打嗝式的保護(hù)，以利于后面的負(fù)載或電路受到及時的保護(hù)，避免損壞；但對于 BOOST 電路而言，因升壓電感，輸出整流二極管是串聯(lián)在輸入與輸出的回路中，即使是完全關(guān)閉 MOSFET 的驅(qū)動，輸出也會有一個比輸入電壓低電感直流壓降跟二極管正向?qū)▔航档碾妷?，這也就是說不能完全關(guān)閉輸出，沒有達(dá)到我們想要的保護(hù)效果。
下面有幾種解決方案，可以用來給 BOOST 電路保護(hù)。
① 可以在輸入端加 MOS 作關(guān)斷保護(hù)。這個是一種很好的方法，但 MOSFET 的控制比較復(fù)雜，而且需要高電壓大電流的 MOSFET，這樣會增大系統(tǒng)的成本，而且會降低可靠性。其結(jié)果是輸入端的電壓相對低些，而且加在輸入端更方便實現(xiàn)軟啟動，減小對 MOS 的沖擊。但是由于輸出端電流更小，加在輸出端 MOS 功耗更小一點。
② 對類似產(chǎn)品，日本有要求輸出端必須有保險裝置，通常是加可恢復(fù)保險絲?？苫謴?fù)的保險絲說白了就是 PTC，不適合大功率場合，而且會產(chǎn)生大量的損耗，把保險裝置加在輸出端比加在輸入端損耗相對小些，而且這種方式成本更低，經(jīng)濟(jì)實惠。
③ 可以用在母線上串接繼電器的方式，在關(guān)掉 MOS 的同時，同步切斷繼電器，使得主回路斷開就可以切斷電流回路，進(jìn)一步保護(hù)二極管。繼電器是一個常見的保護(hù)方法，但也有壽命短，且在開關(guān)動作時容易打火等缺點。
④ 如果不考慮成本和復(fù)雜性的話，完美的保護(hù)電路一定可以做的出來！但實際上，輸出短路是個例，為這個“意外”花過多的成本非常不值得。
圖片圖注：第四種方案的電路設(shè)計圖
1：Vin 端的 Fuse 必須要有，防止 MOS 擊穿造成安全隱患。
2：輸出短路時，受大電流沖擊的脆弱部件需要加強(qiáng)（圖中的 Rsense )。
3: BOOST 輸出電流通常遠(yuǎn)小于輸入電流，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于短路時的大電流，因此使用 PPTC（自恢復(fù)保險絲）是可行的。PPTC 動作電流可取輸出電流的 2~3 倍，正常時，PPTC 損耗非常小。
4：Boost 使能腳 EN 電壓由輸出取，一但短路后，EN=0V（電壓降在 PPTC 上），IC 立即停止工作，輸出電壓降低到約等于輸入電壓，可以減小短路保護(hù)后的功耗，同時也降低 PPTC 兩端的電壓，來降低 PPTC 的功耗。
5：當(dāng)輸出短路排除后，由于 PPTC 的存在，EN 重新得電,IC 啟動，BOOST 重新工作。
目前很少人關(guān)注這一塊，即使是目前各大廠商推出的 PFC 電路，只要后級一短路，后果都可想而知。保護(hù)最安全的方法是切斷輸入，目前的開關(guān)器件有三極管，MOSFET，IGBT，繼電器，接觸器等，不同的開關(guān)器件有不同的優(yōu)缺點。
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