Boost电路图深度解析：图解与比喻讲解法应用

电路详细讲解

这个电路图显示了一个典型的升压（BOOST）转换器电路。下面是电路的工作原理及其关键部分的详细解释：

主要组成部分：

1. 输入电容（CIN）：平滑输入电压。
2. MOSFET（Q1）：作为开关元件。
3. 电感（L）：储存能量。
4. 续流二极管（D1）：提供电流路径。
5. 输出电容（COUT）：平滑输出电压。
6. 负载（RL）：连接在输出端的负载。

电路工作原理：

1. MOSFET（Q1）导通时：

2. 电感（L）从电源（VCC）吸收能量，电流I1逐渐增大，能量储存在电感中。
3. 此时，续流二极管（D1）反偏，不导通。
4. 负载（RL）上的电流主要由输出电容（COUT）提供。

5. MOSFET（Q1）关断时：

6. 电感（L）中的能量通过续流二极管（D1）释放到负载（RL）和输出电容（COUT）。
7. 电流I2通过二极管（D1）和负载（RL），电流逐渐减小。
8. 由于电感电流不能瞬间改变，因此在MOSFET关断的瞬间会产生一个电压峰值（反峰电压），并通过续流二极管（D1）导通，防止电感电流断续。

输入电压和输出电压关系（1/(1-D)）

在升压转换器中，输入电压（Vin）和输出电压（Vout）之间的关系由占空比（D）决定：

理解这个公式：

元件选型参数

MOSFET（Q1）

1. 额定电压（Vds）：至少为输出电压的1.5倍。例如，如果输出电压是20V，选择耐压30V或更高的MOSFET。
2. 额定电流（Id）：应大于电路中的最大电流。可以选择额定电流比电路最大电流大20-30%的MOSFET。
3. 导通电阻（Rds(on)）：越低越好，低导通电阻可以减少导通损耗，提高效率。
4. 开关速度：快速开关时间有助于降低开关损耗，但开关速度太快可能会引起EMI问题。

续流二极管（D1）

1. 额定电压（Vr）：应至少为输出电压的1.5倍。例如，如果输出电压是20V，选择耐压30V或更高的二极管。
2. 额定电流（If）：应大于电路中的最大电流，可以选择额定电流比电路最大电流大20-30%的二极管。
3. 反向恢复时间（trr）：较短的反向恢复时间可以减少开关损耗。肖特基二极管通常具有较短的反向恢复时间，非常适合这种应用。
4. 正向压降（Vf）：越低越好，低正向压降可以减少导通损耗，提高效率。

输入电容（CIN）和输出电容（COUT）

1. 额定电压（V）：应至少为输入电压和输出电压的1.5倍。例如，如果输入电压是12V，选择耐压20V或更高的电容。
2. 电容量（C）：
3. 输入电容（CIN）：应足够大，以平滑输入电压，减少输入电流的纹波。通常选取10-100μF的电容。
4. 输出电容（COUT）：应足够大，以平滑输出电压，减少输出电压的纹波。电容值取决于负载电流和允许的输出电压纹波，通常在100μF以上。
5. 等效串联电阻（ESR）：越低越好，低ESR可以减少电容的纹波电流损耗，提高效率。

电感关闭瞬间反峰电压

当MOSFET关断时，电感中的电流不能瞬间改变，因此会产生一个高压尖峰，称为反峰电压。这是因为电感试图保持电流流动，而MOSFET突然断开了电流路径。为了防止这个高压尖峰损坏MOSFET，续流二极管（D1）提供了一条路径让电流继续流动，从而将电感中的能量安全地释放到负载和输出电容中。

电路详细讲解
这个电路图显示了一个典型的升压（BOOST）转换器电路。下面是电路的工作原理及其关键部分的详细解释：
主要组成部分：
输入电容（CIN）：平滑输入电压。
MOSFET（Q1）：作为开关元件。
电感（L）：储存能量。
续流二极管（D1）：提供电流路径。
输出电容（COUT）：平滑输出电压。
负载（RL）：连接在输出端的负载。
电路工作原理：
MOSFET（Q1）导通时：

电感（L）从电源（VCC）吸收能量，电流I1逐渐增大，能量储存在电感中。
此时，续流二极管（D1）反偏，不导通。
负载（RL）上的电流主要由输出电容（COUT）提供。

MOSFET（Q1）关断时：

电感（L）中的能量通过续流二极管（D1）释放到负载（RL）和输出电容（COUT）。
电流I2通过二极管（D1）和负载（RL），电流逐渐减小。
由于电感电流不能瞬间改变，因此在MOSFET关断的瞬间会产生一个电压峰值（反峰电压），并通过续流二极管（D1）导通，防止电感电流断续。

输入电压和输出电压关系（1/(1-D)）
在升压转换器中，输入电压（Vin）和输出电压（Vout）之间的关系由占空比（D）决定：

理解这个公式：
占空比（D）：MOSFET导通时间与开关周期的比值。D的范围在0到1之间。
导通时间：MOSFET导通时，电感电流增加。
关断时间：MOSFET关断时，电感电流通过续流二极管提供能量给负载和输出电容。
当MOSFET导通时，电感电流增加，电感存储能量。
当MOSFET关断时，电感通过二极管向负载和输出电容释放能量。
元件选型参数
MOSFET（Q1）
额定电压（Vds）：至少为输出电压的1.5倍。例如，如果输出电压是20V，选择耐压30V或更高的MOSFET。
额定电流（Id）：应大于电路中的最大电流。可以选择额定电流比电路最大电流大20-30%的MOSFET。
导通电阻（Rds(on)）：越低越好，低导通电阻可以减少导通损耗，提高效率。
开关速度：快速开关时间有助于降低开关损耗，但开关速度太快可能会引起EMI问题。
续流二极管（D1）
额定电压（Vr）：应至少为输出电压的1.5倍。例如，如果输出电压是20V，选择耐压30V或更高的二极管。
额定电流（If）：应大于电路中的最大电流，可以选择额定电流比电路最大电流大20-30%的二极管。
反向恢复时间（trr）：较短的反向恢复时间可以减少开关损耗。肖特基二极管通常具有较短的反向恢复时间，非常适合这种应用。
正向压降（Vf）：越低越好，低正向压降可以减少导通损耗，提高效率。
输入电容（CIN）和输出电容（COUT）
额定电压（V）：应至少为输入电压和输出电压的1.5倍。例如，如果输入电压是12V，选择耐压20V或更高的电容。
电容量（C）：
输入电容（CIN）：应足够大，以平滑输入电压，减少输入电流的纹波。通常选取10-100μF的电容。
输出电容（COUT）：应足够大，以平滑输出电压，减少输出电压的纹波。电容值取决于负载电流和允许的输出电压纹波，通常在100μF以上。

等效串联电阻（ESR）：越低越好，低ESR可以减少电容的纹波电流损耗，提高效率。
电感关闭瞬间反峰电压
当MOSFET关断时，电感中的电流不能瞬间改变，因此会产生一个高压尖峰，称为反峰电压。这是因为电感试图保持电流流动，而MOSFET突然断开了电流路径。为了防止这个高压尖峰损坏MOSFET，续流二极管（D1）提供了一条路径让电流继续流动，从而将电感中的能量安全地释放到负载和输出电容中。
输入电压与输出电压关系（1/(1-D)）讲解
占空比定义
在升压转换器中，占空比 𝐷D 是指开关MOSFET导通时间与整个开关周期的比值，即：
𝐷=𝑇𝑜𝑛𝑇D=TTon
其中：
𝑇𝑜𝑛Ton 是MOSFET导通时间
𝑇T 是整个开关周期
输入电压与输出电压关系公式推导
导通阶段（MOSFET导通）：
电感 𝐿L 两端电压为 𝑉𝑖𝑛Vin（输入电压）。
电感电流 𝐼𝐿IL 增加，增量为 Δ𝐼𝐿ΔIL。
根据电感电压电流关系：
𝑉𝐿=𝐿𝑑𝐼𝐿𝑑𝑡VL=LdtdIL
导通期间的电感电压 𝑉𝐿=𝑉𝑖𝑛VL=Vin：
𝑉𝑖𝑛=𝐿Δ𝐼𝐿𝑇𝑜𝑛Vin=LTonΔIL
因此，电感电流的变化量 Δ𝐼𝐿ΔIL 为：
Δ𝐼𝐿=𝑉𝑖𝑛𝑇𝑜𝑛𝐿ΔIL=LVinTon
关断阶段（MOSFET关断）：
电感 𝐿L 两端电压为 𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑖𝑛Vout−Vin（输出电压减去输入电压）。
电感电流 𝐼𝐿IL 减少，减量为 Δ𝐼𝐿ΔIL。
同样，根据电感电压电流关系：
𝑉𝐿=𝐿𝑑𝐼𝐿𝑑𝑡VL=LdtdIL
关断期间的电感电压 𝑉𝐿=𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑖𝑛VL=Vout−Vin：
𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑖𝑛=𝐿Δ𝐼𝐿𝑇𝑜𝑓𝑓Vout−Vin=LToffΔIL
其中，𝑇𝑜𝑓𝑓=𝑇−𝑇𝑜𝑛Toff=T−Ton。
我们将导通和关断期间电感电流的变化量相等：
𝑉𝑖𝑛𝑇𝑜𝑛𝐿=(𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑖𝑛)𝑇𝑜𝑓𝑓𝐿LVinTon=L(Vout−Vin)Toff
由于 𝑇=𝑇𝑜𝑛+𝑇𝑜𝑓𝑓T=Ton+Toff：
𝑉𝑖𝑛𝑇𝑜𝑛𝐿=(𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑖𝑛)(𝑇−𝑇𝑜𝑛)𝐿LVinTon=L(Vout−Vin)(T−Ton)
整理得到：
𝑉𝑖𝑛𝑇𝑜𝑛=(𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑖𝑛)(𝑇−𝑇𝑜𝑛)VinTon=(Vout−Vin)(T−Ton)
将 𝑇𝑜𝑛Ton 替换为 𝐷⋅𝑇D⋅T：
𝑉𝑖𝑛𝐷𝑇=(𝑉𝑜𝑢𝑡−𝑉𝑖𝑛)(1−𝐷)𝑇VinDT=(Vout−Vin)(1−D)T
两边消去 𝑇T：
𝑉𝑖𝑛𝐷=𝑉𝑜𝑢𝑡(1−𝐷)−𝑉𝑖𝑛(1−𝐷)VinD=Vout(1−D)−Vin(1−D)
将 𝑉𝑖𝑛Vin 整理到一起：
𝑉𝑖𝑛𝐷+𝑉𝑖𝑛(1−𝐷)=𝑉𝑜𝑢𝑡(1−𝐷)VinD+Vin(1−D)=Vout(1−D)
𝑉𝑖𝑛=𝑉𝑜𝑢𝑡(1−𝐷)Vin=Vout(1−D)
最后得到输出电压与输入电压的关系：
𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉𝑖𝑛1−𝐷Vout=1−DVin
电感关闭瞬间反峰电压（从电磁学角度讲解）
反峰电压的成因
电感具有抵抗电流变化的特性，这个特性用法拉第电磁感应定律来解释。当电感中的电流试图改变时，会产生电动势（电压），这个电动势的方向是抵抗电流的变化。
当MOSFET关断时，电流的路径突然中断，但电感中的电流不能瞬间为零。因此，电感会产生一个电压试图保持电流的流动。这会导致电感两端产生一个高压尖峰，称为反峰电压。
法拉第电磁感应定律
法拉第电磁感应定律描述了电感产生的电动势（𝑉V）与电流变化率（𝑑𝐼𝑑𝑡dtdI）的关系：
𝑉=−𝐿𝑑𝐼𝑑𝑡V=−LdtdI
当MOSFET关断时，电流 𝐼I 迅速减少，电流变化率 𝑑𝐼𝑑𝑡dtdI 很大，导致电感产生高电压。
Lenz定律
Lenz定律指出，感应电流的方向总是使得它的磁场反对原始磁场的变化。在这个情况下，电感产生的电压会试图保持原来的电流流动方向，从而在MOSFET关断时产生高压尖峰。
实际现象
在实际电路中，如果没有续流二极管，反峰电压可能会导致MOSFET过压击穿。因此，续流二极管提供了一条路径，让电感电流可以继续流动，防止高压尖峰损坏MOSFET。
元件选型参数（详细）
MOSFET（Q1）
额定电压（Vds）：
至少为输出电压的1.5倍。例如，输出电压20V，选择耐压30V或更高的MOSFET。
额定电流（Id）：
应大于电路中的最大电流。可以选择额定电流比电路最大电流大20-30%的MOSFET。
导通电阻（Rds(on)）：
越低越好，低导通电阻可以减少导通损耗，提高效率。
开关速度：
快速开关时间有助于降低开关损耗，但开关速度太快可能会引起EMI问题。
续流二极管（D1）
额定电压（Vr）：
应至少为输出电压的1.5倍。例如，输出电压20V，选择耐压30V或更高的二极管。
额定电流（If）：
应大于电路中的最大电流。可以选择额定电流比电路最大电流大20-30%的二极管。
反向恢复时间（trr）：
较短的反向恢复时间可以减少开关损耗。肖特基二极管通常具有较短的反向恢复时间，非常适合这种应用。
正向压降（Vf）：
越低越好，低正向压降可以减少导通损耗，提高效率。
输入电容（CIN）和输出电容（COUT）
额定电压（V）：
应至少为输入电压和输出电压的1.5倍。例如，输入电压12V，选择耐压20V或更高的电容。
电容量（C）：
输入电容（CIN）：应足够大，以平滑输入电压，减少输入电流的纹波。通常选取10-100μF的电容。
输出电容（COUT）：应足够大，以平滑输出电压，减少输出电压的纹波。电容值取决于负载电流和允许的输出电压纹波，通常在100μF以上。
等效串联电阻（ESR）：
越低越好，低ESR可以减少电容的纹波电流损耗，提高效率。
电感选择
电感量（L）：
电感量的选择取决于输入电压、输出电压、开关频率和允许的纹波电流。
额定电流：
应大于电路中的最大电流，包括纹波电流。
直流电阻（DCR）：
越低越好，低DCR可以减少电感的铜损，提高效率。

作者：空间机器人