開關(guān)電源中的BUCK變換器，它是一種降壓型的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是也有很多場(chǎng)合下我們需要升壓型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這就是本節(jié)我們將要講述的Boost變換器，通過它獲得的直流輸出電壓值比輸入直流電壓值要高。

在講解BOOST變換器之前，我們先了解一下開關(guān)電源的分類，開關(guān)電源有很多種分類，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是一種分類的依據(jù)，這里我們介紹根據(jù)輸入-輸出電壓類型（直流或交流）的分類方式，即“DC-DC”、“DC-AC”、“AC-DC”、“AC-AC”。其中，DC（Direct Current）表示直流電，AC（Alternating Current）表示交流電，因此，DC-DC即直流-直流變換器，表示輸入與輸出電壓都是直流，BUCK與BOOST變換器就屬于這一類，通過這一類變換器我們可以獲取各種輸出直流電壓（降壓或升壓），如下圖所示：

顧名思義，“DC-AC”即表示輸入是直流電而輸出是交流電，通常我們都希望將交流電處理成直流電來(lái)使用，而“DC-AC”則恰恰相反，因此也稱它為“逆變器”，比如，我們可以通過它把電池組的低壓轉(zhuǎn)換成交流電220V@50Hz交流電再供給其它用電器，如下圖所示：

上述兩種模塊一般工程師接觸得更多一些，像我這樣的普通老百姓用得最多的還是“AC-DC”模塊，手機(jī)充電器就是其中之一。對(duì)于大多數(shù)的開關(guān)電源模塊，“AC”指的就是網(wǎng)電220V@50Hz交流電，也就是家里給電視機(jī)、電腦、電燈泡、手機(jī)充電器等用電器提供能源的電能，而在開關(guān)電源內(nèi)部，交流電是無(wú)法直接使用的，必須先用整流電路（橋式整流最常用）將其處理成直流電，再配合相應(yīng)的變換電路即可獲得各種輸出直流電壓，亦即“AC-DC”模塊實(shí)質(zhì)上可以看成是“AC-DC-DC”模塊，如下圖所示：

同樣，“AC-AC”變換器可以看成是“AC-DC-AC”變換器，也稱為“變頻器”，即輸入輸出都是交流電，但頻率是不一樣的，如下圖所示：

這種分類方式有助于我們進(jìn)一步理解開關(guān)穩(wěn)壓電源，因?yàn)楹罄m(xù)會(huì)涉及到很多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器。下面我們來(lái)看看BOOST變換器（DC-DC變換器）。

需要注意的是：BUCK變換器中的很多概念，如占空比、PWM/PFM、效率、紋波、損耗、同步整流等等（包括后面講到的伏秒法則）與BOOST變換器都是通用的（亦即概念都適合于其它變換器），因?yàn)殚_關(guān)電源的概念實(shí)在是太多了，集中在一節(jié)講述不太適合消化，因此，如果在敘述上不是特別必要，將不會(huì)重新介紹，以免占用篇幅。

基本的BOOST變換器拓?fù)潆娐啡缦聢D所示：

與BUCK變換器類似，BOOST變換器也是由電感、電容、二極管組成，只不過位置有點(diǎn)不一樣，其中，開關(guān)K1代表三極管或MOS管之類的開關(guān)管（本文以MOS管為例），通過矩形波控制開關(guān)K1只工作于截止?fàn)顟B(tài)（開關(guān)斷開）或?qū)顟B(tài)（開關(guān)閉合）。

下面我們來(lái)看看BOOST轉(zhuǎn)換電路的工作原理（假設(shè)高電平開關(guān)閉合，低電平開關(guān)斷開）。

當(dāng)開關(guān)K1閉合時(shí)，電感L1對(duì)公共地是短路的，因此輸入電源VI的能源儲(chǔ)存在電感L1中，而輸出負(fù)載的能源僅由電容C1提供。

當(dāng)開關(guān)K1斷開時(shí)，輸入電源VI通過電感L1、二極管D1對(duì)電容C1充電的同時(shí)對(duì)負(fù)載提供能源，各位看官注意此時(shí)電感的極性，相當(dāng)于輸入電源VI與電感自感應(yīng)電壓VL1串聯(lián)后對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，這就是BOOST變換器能夠升壓的本質(zhì)，此時(shí)等效圖如下所示：

相關(guān)波形如下圖所示：

上面這張圖與BUCK是一樣的，我們同樣可以通過控制開關(guān)K1的導(dǎo)通時(shí)間（占空比）即可控制輸出電壓的大小（平均值），當(dāng)控制信號(hào)的占空比越大時(shí)，輸出電壓的瞬間峰值越大，則輸出平均值越大，反之，輸出電壓平均值越小。

根據(jù)電感電流的狀態(tài)，我們可以把BOOST變換器（其它類型的開關(guān)電源也一樣）分為三種工作模式。如果在矩形波控制信號(hào)每一個(gè)新的周期T到來(lái)時(shí)，電感電流IL都從不為零，則此模式為連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode ,CCM），如下圖所示：

相應(yīng)的，如果在矩形波控制信號(hào)每一個(gè)新的周期T到來(lái)前，電感電流IL就已經(jīng)為零，則此模式為斷續(xù)導(dǎo)通模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM），如下圖所示：

而如果在矩形波控制信號(hào)每一個(gè)新的周期T到來(lái)時(shí)，電感電流剛剛降為零，則此模式為臨界導(dǎo)通模式（Boundary Conduction Mode,BCM），如下圖所示：

很明顯，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的開關(guān)電源方案，無(wú)論它處于哪種工作模式，電感電流IL在每個(gè)周期的電感電流I-L起始值應(yīng)該都是一樣的，亦即新周期內(nèi)儲(chǔ)存的能量等于新周期內(nèi)釋放的能量，我們通常用伏秒平衡法則來(lái)描述這種穩(wěn)定狀態(tài)，即：

V on ×t on =V off ×toff

上式就是說(shuō)：穩(wěn)定狀態(tài)下，電感兩端的電壓乘以導(dǎo)通時(shí)間等于關(guān)斷時(shí)刻電感電壓乘以關(guān)斷時(shí)間，如下圖所示：

BOOST變換器的紋波概念與BUCK變換器是一致的，但是要注意的是：在相同的條件下（如開關(guān)頻率、電感量、電容量等因素）BOOST變換器的紋波要大于BUCK變換器，因?yàn)榍罢咴陂_關(guān)K1閉合時(shí)負(fù)載僅由電容C1提供能源，而后者總是電感與電容共同給負(fù)載提供能源，因此通常情況下，BOOST變換器的輸出直流電壓不會(huì)直接驅(qū)動(dòng)芯片之類電路，而是先用BOOST升壓后再用BUCK變換器或LDO等器件進(jìn)行降壓后給集成芯片供電，如下圖所示：

這種電源方案在很多手持設(shè)備上都是一樣的，比如手機(jī)、MID、MP3等等，通常鋰電池都的最高電壓約為4.2V，而3.7V時(shí)的續(xù)航能力是最強(qiáng)的，如果去掉BOOST變換級(jí)電路也是可以用的，即少了一級(jí)BOOST升壓電路，降低了成本。

但是存在問題是：電池的續(xù)航能力差，亦即電池能源不能被充分地利用，現(xiàn)如今，大多數(shù)處理器集成芯片的IO引腳都需要3.3V電源，我們雖然可以用LDO從鋰電池中得到3.3V，但當(dāng)3鋰電池放電到3.7V時(shí)，LDO就不一定能穩(wěn)定地工作了（壓差只有0.4V），就算勉強(qiáng)還可以工作，那鋰電池放電到3.3V及以下呢？

LDO此時(shí)肯定無(wú)法工作，加入升壓電路后，選擇合適的升壓芯片，就算鋰電池低于3.3V也可以升壓到5V，后級(jí)電路同樣可以正常工作，爽歪歪！當(dāng)然，成本自然要高一些，畢竟魚和熊掌不可得兼，但續(xù)航能力關(guān)乎用戶的首要體驗(yàn)，因此加入一級(jí)升壓電路是值得的。

另外，大功率開關(guān)電源要求必須使用PFC（功率因數(shù)校正）提升電路的功率因數(shù)，這樣提高網(wǎng)電能源利用率的同時(shí)，防止開關(guān)電源的無(wú)功分量高次諧波污染電網(wǎng)，而主動(dòng)PFC一般都是BOOST升壓變換器，因?yàn)樗妮斎腚娏魇沁B續(xù)的，相對(duì)BUCK變換器而言更容易實(shí)現(xiàn)高功率因素，而且與上面的理由相似，可以適用于更寬范圍的輸入交流電壓，細(xì)節(jié)我們?cè)诤罄m(xù)章節(jié)再講述。

與BUCK變換器一樣，對(duì)于具體的BOOST拓?fù)渖龎盒酒瑥S家都會(huì)提供典型的應(yīng)用電路及相關(guān)的參數(shù)值，如下圖所示為TI公司的集成升壓芯片LM2577典型應(yīng)用電路圖：

LM2577的內(nèi)部開關(guān)頻率為52KHz，相應(yīng)的也有超過MHz的開關(guān)頻率芯片（開關(guān)頻率越高則相應(yīng)的紋波越小）

52KHz的開關(guān)頻率真的不是很高（太低了LL），我們用下圖所示的電路參數(shù)進(jìn)行仿真：

其中，信號(hào)發(fā)生器XFG1設(shè)置驅(qū)動(dòng)峰值電壓為12V，頻率為150KHz（可以把結(jié)果與BUCK變換器進(jìn)行對(duì)比），占空比50%，如下圖所示：

而監(jiān)測(cè)的電路參數(shù)主要是電感后的電壓、電感電流及輸出電壓（理論計(jì)算應(yīng)為24V），我們看看下圖所示的仿真結(jié)果：

其中，紅線表示電感電流（處于CCM模式），藍(lán)線表示電感的電壓，綠線表示輸出電壓（其值為23.7V）。看起來(lái)輸出電壓還是比較穩(wěn)定的，我們將輸出電壓曲線放大一下并測(cè)量一下其紋波值，如下圖所示：

紋波峰峰值為4.65mV，還是比較低的，但比起B(yǎng)UCK變換器還是要大一倍，盡管我們把開關(guān)頻率值上調(diào)到150KHz，而且將電容電感值都增加幾倍，但神通不及天數(shù)，胳膊最終扭不過大腿。

盡管如此，BOOST變換器在很多場(chǎng)合也有其廣泛的應(yīng)用，比如LED驅(qū)動(dòng)（如液晶模塊LED背光），下圖來(lái)自TI的LED驅(qū)動(dòng)芯片TPS61169數(shù)據(jù)手冊(cè)

大多數(shù)LED背光驅(qū)動(dòng)都是這種BOOST變換器結(jié)構(gòu)，以恒流的方式驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED燈，通過設(shè)置電阻RSET值即可調(diào)整背光的亮度（即調(diào)整LED燈電流），我們看看它的特性：

輸入電壓可低至2.7V，適合于鋰電池升壓，亦即可用于手機(jī)之類的含有鋰電池的電子設(shè)備，開關(guān)頻率為1.2MHz及超過90%的轉(zhuǎn)換效率，這里有一個(gè)軟啟動(dòng)，我們將在后續(xù)再講解。

我們用下圖所示電路參數(shù)仿真看看BOOST變換器的效率。

根據(jù)上圖仿真結(jié)果，則有：

這轉(zhuǎn)換效率爆表呀（這只是仿真結(jié)果），至于損耗相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)可以參考BUCK變換器，此處不再贅述。

下圖為TPS61169的PCB布局布線參考圖：