升壓轉換器原理

 

圖1顯示了升壓轉換器的原理圖。在導通時間內，開關S1閉合，能量在線圈L中存儲。電感上的電流隨輸入電壓和地電位的差值呈線性增加。在關閉期間，當S1打開并且S2關閉時，存儲在電感上的能量被釋放輸出。在此時間段內，電感上兩端的電壓對應于輸出電壓減去輸入電壓。

 

圖1：用于從低電壓產生高電壓的升壓拓撲。

 

為了使這種相互作用發揮作用，必須有足夠的時間讓電感進行充電和放電。通過控制回路，可以想像：當需要更多的能量輸出時，這意味著必須從輸入端輸出更多的能量。這時，電感必須存儲更多的能量，開關S1便必須閉合( closed-circuit )更長時間。 但是，對于固定的開關頻率，會導致在開路期間( open-circuit )內從電感上獲取能量的可用時間更少，結果造成輸出電壓下降到設定的目標值。這正是升壓拓撲的限制。通過這個概念，在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會受限制。在典型應用中，最大升壓因子( Boost Factor )介于3和7之間。

 

圖2：升壓因子和相應的占空比( DutyCycle )的關系曲線圖

 

圖2中曲線的變化真實地顯示出輸出端負載電阻和電感的直流電阻的改變，對升壓因子造成的影響。假設負載電阻為100Ω，48V的輸出電壓，這對應于負載電流480mA。當電感的串聯電阻（DCR）只有2Ω，最大升壓因子是有可能剛好超過3; 但對于DCR為1Ω，略高于5的升壓因子是可以實現的。如要求更高的升壓因子，就必須選用具有更低的串聯電阻值的電感。

 

升壓轉換器電感的選擇

 

電感值的選擇很重要，因為它決定了電感上的電流紋波，從而決定了輸出端的電壓紋波。根據圖1，平均電感電流IL,AVE由下式給出。

 

 

其中xD是占空比 (Duty Cycle); ILOAD是負載電流。

 

峰值電感紋波電流與電感值成反比：

 

 

當中fSW是開關頻率;  L是電感值。

 

假設升壓轉換器在連續導通模式 ( Continuous Conduction Mode, CCM) 下工作，峰值電感電流可從公式(1)和(2)得出，具體計算如下：

 

 

較小的電感值的器件通常體積較小，較便宜，但根據公式（3）可以知道這樣會增加紋波電流，較大的紋波電流也會增加電感器內核的功率損耗。電感值太大會導致額外費用，另外，如應用于電流模式控制（current-mode control）時，過大的電感值也會降低斜率補償（Slope-Compensation）線路在高占空比 ( >50 % ) 時的效益。

 

多相輸出的的優勢

 

而另一個獲得較高升壓因子的方案就是使用多相 (Multi Output Phases)。以ADI公司的LTC7840芯片為例，當中包含兩個升壓控制器。這使得實現兩相升壓概念變得容易。圖三顯示了電源電壓為12V的示例，輸出升壓至240V電壓。兩相升壓級將電壓分開增加，使得每級僅需要將電壓增加約4.5倍。

 

圖3：兩相概念：用于從低輸入電壓產生極高輸出電壓

 

比較使用單相升壓轉換器，多相輸出有更高的效率，更小的尺寸和更低的電容器紋波電流的優勢。更高的有效開關頻率和相位紋波電流可顯著降低濾波電容的尺寸和成本，并降低輸出紋波。

 

多相輸出升壓控制器選型

 

Digi-Key官網上，升壓控制器篩選列表參數中提供了不少參數選項以協助工程師選料，其中“輸出階段”便是其中之一。“輸出階段”即代表芯片可以有多少相輸出。

 

篩選列表中的參數選項多，意味著工程師在選料時更能了解其他參數的可選擇性，例如“輸出類型”、“串行接口”或“封裝”等這些對工程師在設計時重要的參數指標，同時也可清楚地展現出物料的市場導向。

 

圖4：Digi-Key官網上升壓控制器部份參數選項

 

例如在查找四相輸出升壓控制器時，得出Renesas公司的ISL78225ANEZ，再經搜尋功能中“零件比較”的協助（如何比較？可訪問Digi-Key官網中「隱藏的搜索秘密」的零件搜索小技巧!）

 

圖5：ISL78225ANEZ與LTC7840EUFD#PBF芯片的參數比較

 

總結

 

傳統的“單相輸出”升壓轉換器線路中，雖然線路簡單，但在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會受限制，所以在要求更高升壓因子的應用中，“多相輸出”是一個可行的選擇。市場上已有包含“多相輸出”的單芯片可供選擇。

 

與單相轉換器比較，使用多相輸出還可獲得更高效率、更小尺寸和更低電容器紋波電流等優勢，更高的有效開關頻率和相位紋波電流可顯著降低濾波電容的尺寸和成本，并降低輸出紋波。

 

原創：DigiKey  作者：Kevin Chow