一文了解電感式DC-DC的升壓器原理

金剛光 2021-02-24

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本文介紹了電感式DC-DC的升壓器原理，屬于基礎(chǔ)性質(zhì)，適合那些對電感特性不了解，但同時又對升壓電路感興趣的同學(xué)。

想要充分理解電感式升壓原理，就必須知道電感的特性，包括電磁轉(zhuǎn)換與磁儲能。我們先來觀察下面這張圖：

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這個圖是電池對一個電感(線圈)通電，電感有一個特性——電磁轉(zhuǎn)換，電可以變成磁，磁也可以變回電。當(dāng)通電瞬間，電會變?yōu)榇挪⒁源诺男问絻Υ嬖陔姼袃?nèi)。而斷電瞬磁會變成電，從電感中釋放出來。

然而問題來了，斷電后，回路已經(jīng)斷開，電流無處可以，磁如何轉(zhuǎn)換成電流呢?很簡單，電感兩端會出現(xiàn)高壓，如果電感線圈的自感系數(shù)很大，那么自感電動勢就會很大，在很大的電勢差之間的空隙，會產(chǎn)生很強的電場，甚至?xí)舸┛諝猓l(fā)生放電現(xiàn)象。附近若有人，會對其造成一定危險，如果附近有易燃物質(zhì)，就有發(fā)生著火的危險。

這樣，我們也理解了電感的第二個特性——升壓特性。當(dāng)回路斷開時，電感內(nèi)的能量會以高電壓的形式變換回電。

現(xiàn)在對以上的內(nèi)容作出小結(jié)：下面是正壓發(fā)生器，你不停地扳動開關(guān)，從圖中節(jié)點處可以得到無窮高的正電壓。電壓到底升到多高，取決于你在二極管的另一端接了什么東西讓電流有處可去。如果什么也不接，電流就無處可去，于是電壓會升到足夠高，將開關(guān)擊穿，能量以熱的形式消耗掉。

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然后是負(fù)壓發(fā)生器，你不停地扳動開關(guān)，從圖中節(jié)點處可以得到無窮高的負(fù)電壓。

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上面說的都是理論，現(xiàn)在來點實際的電路，看看DC-DC升壓電路的最小系統(tǒng)到底是什么樣子。

你可以清楚看到演變，電路中把開關(guān)換成了三極管，用固定頻率的方波控制三極管的開關(guān)就能實現(xiàn)升壓。不要小看這兩個圖，事實上，所有開關(guān)電源都是由這兩個圖組合變換而來的。

最后說一下磁飽合問題。我們已經(jīng)知道電感可以儲存能量，將能量以磁場方式保存，但能存多少，存滿之后會發(fā)生什么情況呢？

最大磁通量，這個參數(shù)表示電感能存多少能量，根據(jù)這個參數(shù)你可以算出一個電感要提供n伏m安電流時必須工作于多高的頻率下。

存滿之后會如何？這就是磁飽合的問題。飽合之后，電感失去一切電感應(yīng)有的特性，變成一純電阻，并以熱形式消耗掉能量。

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電感家族

應(yīng)用舉例：

升壓芯片E50U,E50D,E50P(PL2303)是一種高效率、低紋波的DC-DC 變換器，內(nèi)置MOS開關(guān)管。PL2303系列產(chǎn)品僅需要4個外圍元器件，就可以將0.9V以上的電壓變換升壓到5V，經(jīng)常用于電池供電的兒童玩具電路中。

典型升壓電路

由PL2303內(nèi)部電路可知，這個VOUT腳的功能實際不是out，而是in，它檢測VOUT的電壓進(jìn)行反饋。

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PL2303的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電感的選擇：

PL2303的工作頻率高達(dá) 300KHz，目的是為了能夠減小外部電感尺寸，只需要 4.7uH 以上的電感就可以保證正常工作，但是輸出端如果需要輸出大電流負(fù)載（例如：輸出電流大于 50mA），為了提高工作效率，建議使用較大電感。綜合考慮，建議使用47uH、寄生串聯(lián)電阻小于 0.5Ω 的電感。如果需要提高大負(fù)載時的效率，則需要使用更大電感值、更小寄生電阻值的電感。

用于整流的二極管對DC- DC 的效率影響很大，雖然普通的二極管也能使電路工作正常，但是會降低 5~10%的效率，所以建議使用正向?qū)妷旱?、反?yīng)時間快的肖特基二極管，如 1N5817、1N5819、 1N5822 等。

只要電源穩(wěn)定，即使沒有輸入濾波電容，電路也可以輸出低紋波、低噪聲的電流電壓。但是當(dāng)電源距離 DC-DC電路較遠(yuǎn)，建議在 DC-DC 的輸入端就近加上 10uF 以上的濾波電容，用于減小輸出噪聲。

焦耳神偷電路是一個簡約的自激振蕩升壓電路，成本低、易制作。它可以榨干一節(jié)廢舊干電池上的所有能量，即使是那些在其它電路中已經(jīng)被認(rèn)為沒電的電池。在制作焦耳神偷電路時，一定要注意兩個電感的方向相反。

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標(biāo)準(zhǔn)焦耳神偷電路

通常1.5V的干電池用完之后還會有1.1V左右的電壓，說明此時電池內(nèi)還有能量，只不過內(nèi)阻已經(jīng)變的很大，輸出電流很微弱，已經(jīng)無法驅(qū)動一般的電路，更無法點亮LED。而焦耳神偷電路可以通過磁感線圈產(chǎn)生高頻脈沖電壓，使LED導(dǎo)通，通過調(diào)整合適的參數(shù)，可以將電池電壓升高10-100倍以上。

焦耳神偷原理：

1. 電流經(jīng)L1流入BJT的基極，使BJT開始導(dǎo)通，集電極產(chǎn)生電流，集電極端的線圈L2產(chǎn)生變化磁通量，使基極線圈L1感應(yīng)出電動勢，并正向加在BJT的基極上。

2. 基極電流由于加了電動勢而增大，使BJT集電極電流進(jìn)一步增加，這個正反饋將持續(xù)，直到BJT飽和，基極電流的變化無法再引起集電極電流的變化。

3. 因為集電極電流不再變化，所以基極線圈L1不再產(chǎn)生更多的電動勢，基極電流開始減小。

4. 集電極線圈上的電流開始減小，儲存在磁芯上的能量開始崩潰，這在兩個線圈上都產(chǎn)生了與原來方向相反的電動勢，在基極線圈L1上，使BJT截止。集電極線圈L2上的感應(yīng)電動勢被傳送給LED。要注意，此時L2感應(yīng)出來的電動勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電源電壓，可以達(dá)到10到100倍以上。

5. LED導(dǎo)通后，電感開始放電，電流逐漸穩(wěn)定，當(dāng)小于LED導(dǎo)通電壓時，右邊支路斷路，電流重新從對左邊電感充電，如此反復(fù)。

下圖是用兩個色環(huán)電感構(gòu)成的焦耳神偷電路：