我们都遇到过需要比电源提供的电压略高的情况。我们需要12伏，但只有9伏的电池。或者当我们的芯片需要5V时，我们有3.3V的电源。在大多数情况下，目前的抽签结果也相当不错。

最终，我们会问自己，是否有可能将一个直流电压转换为另一个直流电压?

幸运的是，答案是肯定的。有可能将一个直流电压转换为另一个，然而，方法是稍微聪明的一面。

不，它不涉及直流到交流的转换。因为它涉及的步骤太多了。任何有太多步骤的东西都是低效的;这也是很好的人生一课。

进入世界开关模式DC-DC转换器！

它们被称为开关模式，因为通常有一个半导体开关，可以非常快速地打开和关闭。

什么是升压转换器?

一个提高转换器是最简单的吗开关模式变换器的类型．顾名思义，它需要一个输入电压并提高或增加它。它由一个电感，一个半导体开关(现在它是一个MOSFET，因为现在你可以得到非常漂亮的MOSFET)，一个二极管和一个电容器组成。还需要一个周期性方波的源。这可以是一个简单的555定时器，甚至是一个专用的SMPS IC，就像著名的MC34063A集成电路。

如您所见，只需要几个部件制作一个升压转换器．它比交流变压器或电感器更轻便。

它们之所以如此简单，是因为它们最初是在20世纪60年代开发出来的，用于为飞机上的电子系统提供动力。这是一个要求，这些转换器是紧凑和高效的，尽可能。

boost转换器提供的最大优势是他们的高效率-其中一些甚至可以高达99%!也就是说，99%的输入能量被转化为有用的输出能量，只有1%被浪费了。

升压转换器是如何工作的?

是时候深吸一口气了，我们即将进入电力电子的深处。首先我要说的是，这是一个非常有价值的领域。

要了解升压转换器的工作原理，必须知道如何工作电感器场效应管,二极管而且电容器工作。

有了这些知识，我们就可以升压转换器的工作一步一步来。

步骤- 1

在这里，什么都没有发生。输出电容被充电到输入电压减去一个二极管降。

步骤- 2

现在，是时候打开开关了。我们的信号源调高，打开MOSFET。所有电流都通过电感转移到MOSFET。注意，输出电容保持充电，因为它不能通过现在的后偏二极管放电。

当然，电源不会立即短路，因为电感器使电流上升相对缓慢。此外，电感器周围还会形成磁场。注意施加在感应器上的电压的极性。

步骤- 3

MOSFET被关闭，到电感的电流突然停止。

电感的本质是保持平稳的电流流动;它不喜欢电流的突然变化。所以它不喜欢突然切断电流。它通过使用储存在磁场中的能量来维持电流流动，从而产生一个与最初提供给它的电压极性相反的大电压。

如果我们忘记其余的电路元件，只注意极性符号，我们注意到电感现在就像一个电压源与电源电压串联。这意味着二极管的阳极现在处于比阴极更高的电压(记住，帽在开始时已经被充电到电源电压)，并且正向偏压。

输出电容现在被充电到比以前更高的电压，这意味着我们已经成功地将低直流电压提升到更高的电压!

我建议您再一次非常缓慢地执行这些步骤，并直观地理解它们。

这些步骤发生数千次(取决于振荡器的频率)以保持负载下的输出电压。

升压变换器操作-精细点

到目前为止，你们中的许多人已经对这个过于简化的解释有了疑问。有很多东西被遗漏了，但为了升压转换器的工作绝对清晰。现在我们有了这样的理解，我们可以继续讨论更详细的细节。

1.振荡器．你不能永远保持MOSFET输出开关，没有电感是理想的-他们有饱和电流。如果我们确实保持MOSFET开关超过几百微秒，供应将短路，电感绝缘烧毁，MOSFET崩溃和其他糟糕的事情发生。我们使用电感的知识来计算达到敏感电流所需的时间(例如，一安培)，然后相应地配置振荡器的接通时间。这导致电感电流波形看起来像锯齿边缘，因此被称为锯齿。

2.MOSFET本身。如果你仔细观察，在步骤3中，MOSFET看到的电压是电源电压加上电感电压，这意味着MOSFET必须额定高电压，这再次意味着相当高的电阻。升压变换器的设计总是在MOSFET击穿电压和上电阻之间妥协。升压转换器的开关MOSFET始终是弱点，因为我从寒冷，艰苦的经验中学习到。升压变换器的最大输出电压不受设计的限制，而是受MOSFET击穿电压的限制。

3.电感器。显然，任何旧电感都不能工作。升压变换器中使用的电感器应该能够承受大电流，并具有高渗透性的核心，以便给定尺寸的电感是高的。

升压变换器操作

还有另一种思考升压变换器工作的方法。

我们知道，存储在电感器中的能量由:

1 / 2乘以L乘以I2

其中L为线圈的电感，I为最大峰值电流。

因此，我们在电感器中存储了一些来自输入的能量，并将相同的能量传输到输出，尽管电压更高(显然，功率是守恒的)。这种情况每秒发生数千次(取决于振荡器频率)，因此能量在每个周期中叠加，因此您可以得到一个良好的可测量和有用的能量输出，例如每秒10焦耳，即10瓦。

正如方程告诉我们的那样，储存在电感器中的能量与电感成正比，也与峰值电流的平方成正比。

为了增加输出功率，我们的第一个想法可能是增加电感的尺寸。当然，这将有所帮助，但没有我们想象的那么多!如果我们使电感变大，在给定时间内可以达到的最大峰值电流就会减小，或者达到该电流所需的时间就会增加(记住基本方程V/L = dI/dt)，因此整体输出能量并没有显著增加!

然而，由于能量与最大电流的平方成正比，增加电流将导致输出能量的更大增加!

所以我们理解选择电感器电感和峰值电流之间有很好的平衡。

有了这些知识，我们可以理解设计升压变换器的形式化方法。

升压变换器设计

步骤- 1

首先，我们需要彻底了解我们的负载需要什么。强烈建议(根据经验)，如果你试图在一开始就建立一个升压转换器，独立地知道输出电压和电流是非常重要的，它们的乘积是我们的输出功率。

步骤- 2

一旦我们有了输出功率，我们可以用它除以输入电压(也应该确定)来得到所需的平均输入电流。

我们将输入电流增加40%来考虑纹波。这个新值是输入电流的峰值。

此外，最小输入电流是平均输入电流的0.8倍，因此将平均输入电流乘以0.8。

现在我们有了峰值电流和最小电流，我们可以通过减去峰值电流和最小电流来计算总电流变化。

步骤- 3

现在我们计算转换器的占空比，即振荡器的开和关时间之比。

占空比由这个教科书公式给出:

dc = (Vout - Vin)/(Vout)

这应该会给我们一个合理的十进制值，大于0但小于0.999。

步骤- 4

现在是时候决定振荡器的频率了。这是一个单独的步骤，因为信号源可以是555定时器(其中频率和占空比完全在您的控制之下)或固定频率的PWM控制器。

一旦确定了频率，我们就可以通过求逆求出总时间周期。

现在时间段乘以占空比值以得到准时时间。

步骤- 5

由于我们已经确定了准时，输入电压和电流变化，我们可以将这些值代入电感公式，该公式已经重新排列了一点:

L = (V*dt)/dI

其中V为输入电压，dt为接通时间，dI为电流变化量。

不要担心，如果电感值不是一个常用的，使用最接近的标准值可用。稍作调整，系统就能正常工作。

零件选择

1.开关晶体管

我没有提到类型，因为它完全基于应用程序。当然，MOSFET目前用于所有应用，因为它们非常高效，但可能在某些情况下，由于简单，普通的双极晶体管可能就足够了。

我将重复我之前说过的话选择击穿电压高于转换器最大输出电压的晶体管．

查看MOSFET数据表并确定输入电容/门电容也是一个不错的选择。这个值越低，驾驶需求就越容易。任何低于3500pF的都是可以接受的，并且适度容易驾驶。

我个人的选择是IRF3205，它的开阻为8毫欧姆，击穿电压为55V，输入电容为3247pF，是一个容易获得的部件。

在原理图中也没有提到专用的MOSFET栅极驱动器。再次强调，我“强烈”建议使用一个。这会为你节省很多损失和时间。我推荐的是TC4427。它在一个DIP8包中有两个驱动器，可以很容易地并联以获得更多的驱动电流。

2.输出二极管

虽然这看起来微不足道，在我们正在处理的电流(有时是电压)，二极管的选择在效率中起着很大的作用。

不幸的是，普通的1N4007不能工作，因为它太慢了。牛肉也不会1 n5408．这两种设计我都试过，结果都很糟糕，因为它们都很慢。根本不值得一试。

我使用的UF4007，具有相同的电压额定值1 n4007(1000 v反向)。

如果您正在构建一个低压转换器(例如3.3V到5V)，那么选择的二极管将是肖特基，如1 n5822．

结论

我觉得，阅读这篇文章就相当于听完了一场电力系统的讲座，希望能让您了解更多。一如既往，学习的最好方法就是实际动手做点什么。现在您已经掌握了构建和使用升压转换器所需的知识!