什么是升壓電路？一文詳解電感升壓電路的原理

自舉電路也叫升壓電路，是利用自舉升壓二極管，自舉升壓電容等電子元件，使電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高，有的電路升高的電壓能達(dá)到數(shù)倍電源電壓。

原理

舉個(gè)簡單的例子：有一個(gè)12V的電路，電路中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管需要15V的驅(qū)動(dòng)電壓，這個(gè)電壓怎么弄出來?就是用自舉。通常用一個(gè)電容和一個(gè)二極管，電容存儲(chǔ)電荷，二極管防止電流倒灌，頻率較高的時(shí)候，自舉電路的電壓就是電路輸入的電壓加上電容上的電壓，起到升壓的作用。

自舉電路只是在實(shí)踐中定的名稱，在理論上沒有這個(gè)概念。自舉電路主要是在甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路中使用較為普遍。甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路在理論上可以使輸出電壓Vo達(dá)到Vcc的一半，但在實(shí)際的測(cè)試中，輸出電壓遠(yuǎn)達(dá)不到Vcc的一半。其中重要的原因就需要一個(gè)高于Vcc的電壓。所以采用自舉電路來升壓。

常用自舉電路(摘自fairchild，使用說明書AN-6076《供高電壓柵極驅(qū)動(dòng)器IC 使用的自舉電路的設(shè)計(jì)和使用準(zhǔn)則》)

開關(guān)直流升壓電路(即所謂的boost或者step-up電路)原理

the boost converter,或者叫step-up converter，是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以是輸出電壓比輸入電壓高?；倦娐穲D見圖1.

假定那個(gè)開關(guān)(三極管或者mos管)已經(jīng)斷開了很長時(shí)間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓。下面要分充電和放電兩個(gè)部分來說明這個(gè)電路。

在充電過程中，開關(guān)閉合(三極管導(dǎo)通)，等效電路如圖二，開關(guān)(三極管)處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。

如圖，這是當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時(shí)的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時(shí)，由于電感的電流 保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電， 電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。 說起來升壓過程就是一個(gè)電感的能量傳遞過程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電感量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)通斷的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。 [2]

P 溝道高端柵極驅(qū)動(dòng)器

直接式驅(qū)動(dòng)器：適用于最大輸入電壓小于器件的柵- 源極擊穿電壓。

開放式收集器：方法簡單，但是不適用于直接驅(qū)動(dòng)高速電路中的MOSFET。

電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器：適用于高速應(yīng)用，能夠與常見PWM 控制器無縫式工作。

N 溝道高端柵極驅(qū)動(dòng)器

直接式驅(qū)動(dòng)器：MOSFET最簡單的高端應(yīng)用，由PWM 控制器或以地為基準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)，但它必須滿足下面兩個(gè)條件：

VCC

浮動(dòng)電源柵極驅(qū)動(dòng)器:獨(dú)立電源的成本影響是很顯著的;光耦合器相對(duì)昂貴，而且?guī)捰邢?，?duì)噪聲敏感。

變壓器耦合式驅(qū)動(dòng)器:在不確定的周期內(nèi)充分控制柵極;但在某種程度上，限制了開關(guān)性能。但是，這是可以改善的，只是電路更復(fù)雜了。

電荷泵驅(qū)動(dòng)器:對(duì)于開關(guān)應(yīng)用，導(dǎo)通時(shí)間往往很長;由于電壓倍增電路的效率低，可能需要更多低電壓級(jí)泵。

自舉式驅(qū)動(dòng)器:簡單，廉價(jià)，也有局限;例如，占空比和導(dǎo)通時(shí)間都受到刷新自舉電容的限制。需要電平轉(zhuǎn)換，以及帶來的相關(guān)問題。

電感最廣泛的使用場(chǎng)景在供電，升壓電路和降壓電路，都需要有一顆電感來儲(chǔ)存能量和釋放能量。很多小白朋友都太清楚電感升壓電路的原理，所有的升壓和降壓電路，都用到了“電感電流不能突變”這個(gè)重要原理。即電感的中的電流是有慣性的，這個(gè)慣性就是電感儲(chǔ)存的能量。

示例的LCD屏的串聯(lián)背光升壓電路中，升壓IC主要通過LX腳來控制電感上的開關(guān)。在電療儀升壓電路中通過單片機(jī)的PWM口來控制電感的開關(guān)。

單純看文字不容易看得懂，我們用圖示來標(biāo)明電流的走向。

(這里強(qiáng)調(diào)一下二極管的“單向?qū)ā钡奶攸c(diǎn)，二極管中的電流只能朝一個(gè)方向走，反向是不能通過電流的。)

首先，開關(guān)打開，電感對(duì)地短路，電感內(nèi)部產(chǎn)生電流。(芯片內(nèi)部有開關(guān)，另一張圖的三極管也是起到開關(guān)的用途)

然后，開關(guān)關(guān)閉，電感對(duì)地的電流被截?cái)?，但是電感上的電流不能立刻消失，需要找到泄放途徑，于是就跑到?fù)載端去了。負(fù)載消耗不了那么多電流，于是電感的電流就變成了負(fù)載兩端的電壓，把電壓升上去了。

下一個(gè)循環(huán)，開關(guān)打開，電感產(chǎn)生電流，雖然二極管右側(cè)電壓比左側(cè)高，但是無法反向流過去，就維持了高電壓。

然后開關(guān)再關(guān)閉，電感再向負(fù)載釋放能量，電壓繼續(xù)上升。如此循環(huán)，電感不斷的充電放電，為二極管后段提供脈沖能量。

通過控制開關(guān)打開和關(guān)閉的時(shí)間比例，就可以控制有多少能量從電感輸出。這就是通過改變控制信號(hào)的占空比，來適應(yīng)負(fù)載的變化，使電壓始終維持在需要的數(shù)值。

對(duì)于普通升壓電路(上圖左側(cè))，有負(fù)載、有過壓保護(hù)(OVP)、也有電壓檢測(cè)，電壓會(huì)上升到一個(gè)穩(wěn)定值。

對(duì)于電療儀電路這種簡易升壓電路(上圖右側(cè))，人體電阻在兆歐級(jí)別，基本相當(dāng)于開路了，每一次電感的充放電，都會(huì)把二極管后段的電壓往上提升，如果用示波器測(cè)量后段電壓，會(huì)是一個(gè)階梯狀上升的形狀。通過控制開關(guān)的次數(shù)，可以控制電壓升高的幅度，最高可以超過200V。因?yàn)殡娏亢苌?，人體只會(huì)感受到輕微電擊，不會(huì)造成危險(xiǎn)。