一個電感和一個開關(guān)組成的簡單boost升壓電路

boost升壓電路是六種基本斬波電路之一，是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。主要應(yīng)用于直流電動機(jī)傳動、單相功率因數(shù)校正(PFC)電路及其他交直流電源中。分析升壓斬波電路工作原理時，首先假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負(fù)載供電。因?yàn)镃值很大，基本能保持輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V處于通態(tài)的時間為ton，當(dāng)V處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電并向負(fù)載提供能量。設(shè)V處于關(guān)斷的時間為toff，則在此期間電感L釋放的能量為(Uo-E)I1toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等。學(xué)習(xí)升壓(Boost)型直流開關(guān)電源的基本原理。

給一個電感通電，然后迅速斷電，電感的開路一側(cè)會出現(xiàn)高電壓。

我們可以用下面這個由一個電感和一個開關(guān)組成的簡單電路來學(xué)習(xí)一下電感的升壓原理。下圖是電路圖：

圖1-電感升壓實(shí)驗(yàn)電路

下圖是在面包板上組裝好的電路：

圖2-面包板上的電感升壓電路

下面是按下按鈕然后迅速松開后的波形截圖：

圖3-電感升壓波形

可以看到 5V 電壓在電感開路一側(cè)被升高到了 130V。

在這個簡單的電感升壓電路后面加一個二極管和電容就構(gòu)成了經(jīng)典的升壓型直流-直流開關(guān)電源(switched-mode boost DC-DC power supply)：

圖4-經(jīng)典升壓型直流-直流開關(guān)電源原理圖

當(dāng)開關(guān)閉合期間，由于二極管右側(cè)電壓高于左側(cè)，二極管可以防止電容存儲的電能通過開關(guān)向電源放電。電容用于減小開關(guān)電源紋波，起穩(wěn)壓濾波的作用。

我們使用 Arduino UNO 來產(chǎn)生控制 PWM 信號，開關(guān)我們使用 N 溝道場效應(yīng)管 IRFZ44N。N 溝道場效管的 Gate 極在輸入低電平 時場管的 Drain 極和 Source 極會關(guān)閉，反之， Gate 極輸入高電平 ，Drain 極和 Source 極會導(dǎo)通。

實(shí)驗(yàn)電路原理圖如下：

圖5-基于Arduino的升壓型直流-直流開關(guān)電源

Arduino A0 引腳接可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。

A1 接反饋信號，由于使用了 1k 和 8k 電阻分壓，實(shí)際輸出電壓是此電壓的 9 倍。

D3 引腳接輸出 PWM 控制信號，輸出高電平時場管導(dǎo)通，輸出低電平時場管關(guān)閉。

可調(diào)電阻輸出 5V 時，輸出電壓最大，為 5V*9=45V。

下面是 Arduino 代碼：

程序不停對可調(diào)電阻的電壓 voltage 和輸出電壓的 1/9 output進(jìn)行比較，當(dāng) voltage < output 時，增大 PWM 信號占空比，提高輸出電壓;當(dāng) voltage > output 時，減小占空比，降低輸出電壓。

1.在面包板上搭建電路：

圖6-面包板上的基于Arduino的升壓型直流-直流開關(guān)電源

2.示波器波形圖如下：

圖7-基于Arduino的升壓型直流-直流開關(guān)電源波形動圖

可以看到隨著 PWM 控制信號占空比的增加，電感輸出電壓逐漸增大，最高可達(dá) 34.8V。

升壓型直流開關(guān)電源是利用了通電后的電感突然斷開，在開路的一側(cè)會出現(xiàn)電壓升高這一特性而實(shí)現(xiàn)的，并且，通電時間越長，電感斷開時出現(xiàn)的瞬間電壓越高。