3. Boost(升压)转换器的工作原理、电感伏秒平衡与电容电荷平衡

好，咱们接着聊拓扑。上一章讲了Buck，这次轮到它的“好兄弟”——Boost转换器。

Boost，顾名思义，就是把电压往上抬。你输入3.3V，它能给你升到5V、12V，甚至更高。我在做电池供电产品时，经常用到它。比如一节锂电池3.7V，要驱动5V的传感器，Boost就是首选。

3.1 Boost的基本工作原理

先看结构。Boost电路很简单：一个电感、一个开关管（MOSFET）、一个二极管、一个输出电容。输入电压Vin，输出电压Vout，且Vout > Vin。

工作过程分两个阶段：

阶段一：开关管导通（Ton）

开关管Q导通，电流从Vin流过电感L，再经过Q回到GND。此时二极管D反偏截止，负载由输出电容C供电。

电感两端电压：VL = Vin。电感电流线性上升，储存能量。

阶段二：开关管关断（Toff）

开关管Q关断，电感电流不能突变。电感两端电压反向，迫使电流流过二极管D，给输出电容充电，同时供给负载。

电感两端电压：VL = Vout - Vin（注意方向）。电感电流线性下降，释放能量。

说白了，Boost就是利用电感“抗拒电流变化”的特性，把输入电压和电感上的感应电压叠加起来，得到更高的输出电压。

3.2 电感伏秒平衡

这个知识点，我建议你刻在脑子里。伏秒平衡是分析所有开关电源的基础。

什么叫伏秒平衡？

在稳态工作时，电感两端电压对时间的积分，在一个开关周期内必须为零。换句话说，电感“充电”的伏秒数，必须等于“放电”的伏秒数。

用公式表达：

Von × Ton = Voff × Toff

对于Boost：

• 导通时：Von = Vin
• 关断时：Voff = Vout - Vin

代入：

Vin × Ton = (Vout - Vin) × Toff

整理一下：

Vin × D × T = (Vout - Vin) × (1-D) × T

两边约掉T，再解出Vout：

Vout = Vin / (1 - D)

你看，和前面说的一样。伏秒平衡直接推导出了输入输出关系。

3.3 电容电荷平衡

电容电荷平衡，和伏秒平衡是“双胞胎”。它说的是：在稳态时，电容在一个周期内充入的电荷量，等于放出的电荷量。平均电流为零，电压才能稳定。

对于Boost的输出电容：

• 开关管导通时：二极管截止，电容单独给负载供电，电容放电。
• 开关管关断时：电感电流通过二极管给电容充电，同时供给负载。

电荷平衡告诉我们：

I_load × T = (I_L - I_load) × Toff

其中I_L是电感平均电流。解出来：

I_L = I_load / (1 - D)

这个公式很实用。它告诉你，电感电流比负载电流大！而且占空比越大，电感电流越大。我曾经设计一个升压电路，负载才2A，电感峰值电流却到了8A。如果没算这个，电感选小了，直接饱和炸机。

3.4 连续模式与断续模式

Boost也有CCM（连续导通模式）和DCM（断续导通模式）之分。

模式	电感电流特点	适用场景
CCM	始终大于0	大电流、高效率
DCM	会降到0	轻载、小功率

CCM下，输出电压只与占空比有关，与负载无关。DCM下，输出电压还与负载有关，控制更复杂。

我个人习惯，只要空间允许，尽量让电路工作在CCM。因为DCM的电流峰值高，对MOSFET和二极管的要求更高。

3.5 关键器件选型要点

这里我直接给干货：

• 电感： 饱和电流要大于峰值电流的1.2倍。感值影响纹波，一般取几十到几百微亨。
• MOSFET： 耐压要大于Vout，电流要大于峰值电流。Rds(on)越小越好。
• 二极管： 用肖特基二极管，反向恢复时间短。耐压要大于Vout。
• 输出电容： ESR要小，耐压要够。容量根据纹波要求来算。

3.6 实际设计中的注意事项

Boost有个“死穴”——不能空载！

你想想看，如果负载断开，输出电容没有放电回路，电压会一直升上去，直到击穿器件。所以Boost电路必须加假负载，或者用带空载保护的芯片。

另外，Boost的环路补偿比Buck难调。因为Boost在右半平面有一个零点（RHP零点），会限制带宽。我一般把穿越频率控制在开关频率的1/10以下。

嗯，今天就先聊这么多。Boost的核心就是伏秒平衡和电荷平衡，把这两个吃透了，剩下的都是细节。