讓升壓轉換器發揮更大效用

John Betten

升壓轉換器可透過較低的輸入電壓提供較高的輸出電壓。若要取得最大程度的「升壓」，必須將操作占空比最大化。

升壓控制器的最大連續占空比具有限制，其在較低切換頻率下通常最高。若您超過此最大占空比，則會發生脈衝略過，這通常會造成損害且應加以避免。許多控制器皆在 80% 至到 90% 範圍內具有最大占空比，若以極低切換頻率運作，可能會提昇數個百分比。低切換頻率需要較大的元件和更大的電路板面積。不過即使以低切換頻率運作，可能仍無法取得足夠的升壓。那我們應該怎麼辦？

圖 1 顯示傳統升壓轉換器功率級的簡化電路圖。其主要優點是低元件數、標準電感器，以及簡易低側升壓控制器的實作能力。不過，這種基本升壓的主要限制，在於若假設最大占空比為 90%，則只能提供 10 對 1 的最大升壓比。若需要更多升壓，您可嘗試使用具有電荷泵倍頻器的返馳或升壓轉換器。新增至升壓的電荷泵對於低輸出電流十分有利，但實作時需要額外元件。選擇返馳也是合理的解決方案。不過，即使是更簡易的解決方案，其變壓器針腳較少，匝比和洩漏電感也較低。

圖 1 傳統單一電感器升壓轉換器功率級。

圖 2 顯示自動變壓器升壓轉換器。其會使用位於同個核心的兩個串聯連接繞組，作為無隔離的變壓器。將一次繞組與二次繞組串聯，可減少與返馳相比所需的匝比，且所需的針腳也較少。

圖 2 自動變壓器升壓轉換器提供的輸出電壓比傳統升壓更高。

方程式 1 表示指定 Vin、Vout 和 n2/n1 匝比在連續傳導模式 (CCM) 下運作的占空比 (忽略場效電晶體 [FET] 和電流感測電阻壓降)：

方程式 1.

d = \frac{V o u t - V i n + V d}{\frac{n 2}{n 1} \times V i n + V o u t + V d}

$d = \frac{V o u t - V i n + V d}{\frac{n 2}{n 1} \times V i n + V o u t + V d}$

您會發現到大 n2/n1 匝比會具有低占空比。這有利於提供更高的輸出電壓。方程式 2 可求解 Vout 的運算式：

方程式 2.

V o u t = \frac{V i n \times (1 + d \times \frac{n 2}{n 1}) - V d \times (1 - d)}{1 - d}

$V o u t = \frac{V i n \times (1 + d \times \frac{n 2}{n 1}) - V d \times (1 - d)}{1 - d}$

您會發現到若 n2/n1 = 0，運算式會與傳統升壓轉換器相同。因此，對於非零 n2/n1 匝比，Vout 會以 (n2/n1)*Vin*d/(1-d) 同等增量，因此輸出電壓可能會更高。

圖 3 會針對多個 n2/n1 匝比，繪製升壓比、VOut/Vin 與占空比的比較圖，其中包括傳統升壓的零以供比較。在 90% 的占空比中，傳統升壓比為 10，而 n2/n1 = 1 的升壓比則為 19，因此可實現將近兩倍的輸出電壓。您可輕易地使用標準耦合電感器實作 1 對 1 n2/n1 比率，其中多數電感器皆可隨時使用。較大的匝比可提供更高的輸出電壓。

圖 3 分接電感器可減少占空比並啟用更高的輸出電壓。

您通常會根據設計規格來瞭解升壓比。最大實際占空比是由選擇的控制器，以及所需的切換頻率來決定。圖 4 說明如何輕鬆判斷所需的匝比。例如，假設您需要來自 10-V 輸入的 250 V 輸出，且希望將最大占空比限制在 80%。選擇 250 V/10 V = 25 的升壓比，然後遵循此數值達到藍色曲線 (d = 0.8)；所需的 n2/n1 爲 5。

方程式 3 顯示關閉時 FET 的電壓應力，同時方程式 4 顯示整流器反向電壓應力：

方程式 3.

V f e t = V i n \times (1 - \frac{n 1}{n 1 + n 2}) + (V o u t + V d) \times \frac{n 1}{n 1 + n 2}

$V f e t = V i n \times (1 - \frac{n 1}{n 1 + n 2}) + (V o u t + V d) \times \frac{n 1}{n 1 + n 2}$

方程式 4.

V d i o d e = V o u t + V i n \times \frac{n 2}{n 1}

$V d i o d e = V o u t + V i n \times \frac{n 2}{n 1}$

針對上述設計範例，FET 和整流器電壓應力分別爲 50 V 及 300 V。FET 電壓應力遠低於傳統的升壓，後者約為 250 V。由於會產生洩漏電感，因此可能需要電阻器電容器減震器來減少振鈴。

圖 4 選擇您的升壓比與最大占空比，以決定所需的匝比。

在 CCM 升壓轉換器中實作自動變壓器有幾個優點。只需增加繞組，即可使輸出電壓盡可能增加至超過傳統升壓轉換器的電壓。其可降低操作占空比、支援更高的切換頻率、更小的元件尺寸，以及更低的 FET 電壓。減少佔空比也可提供更廣泛的控制器選擇，這些控制器以往在傳統升壓轉換器中執行時，無法在足夠高的佔空比下運作。

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