假定那個(gè)開(kāi)關(guān)（三極管或者 MOS 管）已經(jīng)斷開(kāi)了很長(zhǎng)時(shí)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(gè)部分來(lái)說(shuō)明這個(gè)電路。

 

充電過(guò)程：

 

 

在充電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），等效電路如上圖，開(kāi)關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對(duì)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(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。

 

放電過(guò)程：

 

 

如上圖，這是當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)（三極管截止）時(shí)的等效電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)（三極管截止）時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?0，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?0。而原來(lái)的電路已斷開(kāi)，于是電感只能通過(guò)新電路放電，即電感開(kāi)始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。

 

說(shuō)起來(lái)升壓過(guò)程就是一個(gè)電感的能量傳遞過(guò)程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)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(guò)程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)通斷的過(guò)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(jì)

 

對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源中，輸出電容的作用是存儲(chǔ)能量，維持一個(gè)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(duì)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(kāi)關(guān)頻率和期望的輸出紋波。在 MOSFET 開(kāi)通時(shí)，輸出濾波電容提供整個(gè)負(fù)載電流。

 

電感：

 

在開(kāi)關(guān)電源中，電感的作用是存儲(chǔ)能量。

 

電感的作用是維持一個(gè)恒定的電流，或者說(shuō)，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(lái)限制流過(guò)它的紋波電流。

 

電感的紋波電流正比于輸入電壓和 MOSFET 開(kāi)通時(shí)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(diǎn)。

 

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(guò)了其額定電流或者工作頻率超過(guò)了其最大工作頻率，都會(huì)導(dǎo)致電感飽和及過(guò)熱。

 

MOSFET：

 

在小功率的 DC/DC 變化中，Power MOSFET 是最常用的功率開(kāi)關(guān)。MOSFET 的成本比較低，工作頻率比較高。

 

設(shè)計(jì)中選取 MOSFET 主要考慮到它的導(dǎo)通損耗和開(kāi)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(jì)。

 

Boost 電路作為一種非隔離的升壓電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)，成本低廉，被廣泛應(yīng)用于各種不需要隔離的升壓場(chǎng)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(duì)于一般的保護(hù)電路而言，當(dāng)輸入欠壓，過(guò)壓，輸出過(guò)流，短路，過(guò)壓，過(guò)溫度的時(shí)候，我們會(huì)要求電路會(huì)自動(dòng)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(shí)的保護(hù)，避免損壞；但對(duì)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(dòng)，輸出也會(huì)有一個(gè)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(shuō)不能完全關(guān)閉輸出，沒(méi)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(lái)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(gè)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(huì)增大系統(tǒng)的成本，而且會(huì)降低可靠性。其結(jié)果是輸入端的電壓相對(duì)低些，而且加在輸入端更方便實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減小對(duì) 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(diǎn)。

 

② 對(duì)類似產(chǎn)品，日本有要求輸出端必須有保險(xiǎn)裝置，通常是加可恢復(fù)保險(xiǎn)絲。可恢復(fù)的保險(xiǎn)絲說(shuō)白了就是 PTC，不適合大功率場(chǎng)合，而且會(huì)產(chǎn)生大量的損耗，把保險(xiǎn)裝置加在輸出端比加在輸入端損耗相對(duì)小些，而且這種方式成本更低，經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shí)，同步切斷繼電器，使得主回路斷開(kāi)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(gè)常見(jiàn)的保護(hù)方法，但也有壽命短，且在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)容易打火等缺點(diǎn)。

 

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(lái)！但實(shí)際上，輸出短路是個(gè)例，為這個(gè)“意外”花過(guò)多的成本非常不值得。

 

圖片圖注：第四種方案的電路設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)的大電流，因此使用 PPTC（自恢復(fù)保險(xiǎn)絲）是可行的。PPTC 動(dòng)作電流可取輸出電流的 2~3 倍，正常時(shí)，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(shí)也降低 PPTC 兩端的電壓，來(lái)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(dòng)，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(jí)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(kāi)關(guān)器件有三極管，MOSFET，IGBT，繼電器，接觸器等，不同的開(kāi)關(guān)器件有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。