4、DC-DC升压转换器(Boost)：Boost拓扑结构、电感与电容选型、输出纹波抑制、启动与保护电路

Boost拓扑，说白了就是能把低电压“抬”上去的电路。你想想看，掌机里锂电池满电也就4.2V，可屏幕背光、音频功放动不动就要12V甚至更高。这时候Boost就该上场了。

我个人习惯把Boost叫做“升压三兄弟”——电感、开关管、二极管。它们配合得好，效率能到95%以上；配合不好，哼哼，发热、纹波、甚至烧管子。我踩过的坑不少，今天全抖出来给你看。

4.1 Boost拓扑结构：能量搬运工

先看基本结构。一个电感L，一个开关管Q（通常是MOSFET），一个二极管D，一个输出电容Cout。输入Vin，输出Vout，且Vout > Vin。

工作分两个阶段：

• 开关管导通（充电阶段）：电流从Vin流过电感L，再经Q到GND。电感储存磁能，二极管反偏截止，负载由Cout供电。
• 开关管关断（放电阶段）：电感两端电压反向，试图维持电流不变。此时D导通，电感储存的能量“叠加”在Vin上，一起给Cout充电并供给负载。

输出电压公式很简单：

Vout = Vin / (1 - D)

其中D是占空比。举个例子，Vin=3.7V，想要Vout=12V，算一下D≈0.69。也就是说开关管69%的时间在导通，31%的时间在关断。

4.2 电感选型：别小看这个线圈

电感是Boost的心脏。选错了，整个电路都白搭。

主要看三个参数：

• 电感值（L）：决定纹波电流大小。值越大，纹波越小，但响应变慢、体积变大。
• 饱和电流（Isat）：电感能承受的最大峰值电流。超过这个值，电感量会急剧下降，电路失控。
• 直流电阻（DCR）：越小越好，直接影响效率。

我一般这样估算电感值：

L = (Vin * (Vout - Vin)) / (ΔIL * fsw * Vout)

其中ΔIL是电感纹波电流，通常取负载电流的20%~40%。fsw是开关频率。

举个例子：Vin=3.7V，Vout=12V，负载电流Iout=0.5A，fsw=500kHz，取ΔIL=0.3A。算出来L≈10μH。

4.3 电容选型：纹波的最后防线

输出电容主要用来吸收纹波。Boost拓扑的纹波有两个来源：

• 开关纹波：由开关动作引起，频率等于开关频率。
• 电感纹波：由电感电流的三角波引起，频率也是开关频率。

输出纹波电压估算：

ΔVout = (Iout * D) / (Cout * fsw) + (ΔIL * ESR)

第一项是电容充放电引起的，第二项是ESR（等效串联电阻）引起的。

选电容时注意：

• 陶瓷电容：ESR低、体积小，但容值受直流偏压影响大。我常用X5R或X7R材质。
• 钽电容：容值大、稳定，但ESR较高，且耐压要留足余量。
• 铝电解：便宜、容值大，但ESR高、寿命短。掌机里我基本不用。

4.4 输出纹波抑制：让电压更干净

纹波大了，屏幕会闪烁、音频会有噪声。掌机用户可受不了这个。

我常用的抑制手段：

1. 增加输出电容：简单粗暴，但受限于空间。
2. 降低ESR：用多个小电容并联，等效ESR更低。
3. 加LC后级滤波：在输出端串一个小电感（几μH）再加一个电容，能有效滤除高频纹波。
4. 优化PCB布局：功率回路要短、要粗。开关节点（SW）的铜皮面积要控制好，减少寄生电感。

举个例子，我做过一个掌机背光供电：

输入：3.7V锂电
输出：12V/200mA
开关频率：1MHz
电感：10μH/1.5A
输出电容：22μF陶瓷 + 10μF陶瓷（并联）
后级滤波：2.2μH + 10μF陶瓷
实测纹波：<20mVpp

嗯，这个方案后来量产了，纹波表现一直很稳定。

4.5 启动与保护电路：别让芯片“猝死”

Boost启动时有个问题：输出电容初始电压为0，开关管一导通，电感电流会猛冲，可能超过额定值。这叫“浪涌电流”。

解决办法：

• 软启动：让占空比从0逐渐增加到目标值。很多集成Boost芯片都有这个功能，比如RT6150、TPS61088。
• 限流电路：检测电感电流，超过阈值就关断开关管。

保护电路方面，我重点关注：

• 过流保护（OCP）：输出短路或过载时，限制电流。
• 过压保护（OVP）：输出超过设定值（比如13V）时，关断开关管。
• 欠压锁定（UVLO）：输入电压太低时，禁止芯片工作，防止电池过放。
• 热关断（TSD）：芯片温度超过150°C时，自动关断。

另外，输出电容的放电回路也要注意。关机后，如果输出电容上的高压没地方放，可能会电到人或者损坏芯片。我习惯在输出端并一个几百kΩ的泄放电阻。

好了，Boost这部分就聊到这。下一章咱们讲Buck-Boost拓扑，那个更灵活，但也更 tricky。到时候再细说。