作者：Kevin Chow
傳統(tǒng)的單相輸出升壓轉(zhuǎn)換器線路雖然線路簡(jiǎn)單，但其輸出電壓的升壓范圍也會(huì)受到限制，本文介紹了一種利用“多相輸出”的方法，能夠獲得更高升壓因子、提高升壓轉(zhuǎn)化電路升壓范圍，與單相轉(zhuǎn)換器比較，使用多相輸出還可獲得更高效率、更小尺寸和更低電容器紋波電流等優(yōu)勢(shì)。
電子設(shè)備中，如果需要從低電壓產(chǎn)生高電壓，一般可以考慮使用升壓轉(zhuǎn)換器 (Boost Converter)。在升壓轉(zhuǎn)換器現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，往往既要達(dá)到更多的電流需求，又要實(shí)現(xiàn)高效率和低輸出紋波，同時(shí)又要滿足電路尺寸小巧等要求，因此一種理想的解決方案就是采用多相輸出的升壓控制電路。
升壓轉(zhuǎn)換器原理
圖1顯示了升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，開(kāi)關(guān)S1閉合，能量在線圈L中存儲(chǔ)。電感上的電流隨輸入電壓和地電位的差值呈線性增加。在關(guān)閉期間，當(dāng)S1打開(kāi)并且S2關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)在電感上的能量被釋放輸出。在此時(shí)間段內(nèi)，電感上兩端的電壓對(duì)應(yīng)于輸出電壓減去輸入電壓。
圖1，用于從低電壓產(chǎn)生高電壓的升壓拓?fù)洹?/span>
為了使這種相互作用發(fā)揮作用，必須有足夠的時(shí)間讓電感進(jìn)行充電和放電。通過(guò)控制回路，可以想像：當(dāng)需要更多的能量輸出時(shí)，這意味著必須從輸入端輸出更多的能量。 這時(shí)，電感必須存儲(chǔ)更多的能量，開(kāi)關(guān)S1便必須閉合( closed-circuit )更長(zhǎng)時(shí)間。 但是，對(duì)于固定的開(kāi)關(guān)頻率，會(huì)導(dǎo)致在開(kāi)路期間( open-circuit )內(nèi)從電感上獲取能量的可用時(shí)間更少，結(jié)果造成輸出電壓下降到設(shè)定的目標(biāo)值。這正是升壓拓?fù)涞南拗啤Ｍㄟ^(guò)這個(gè)概念，在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會(huì)受限制。在典型應(yīng)用中，最大升壓因子( Boost Factor )介于3和7之間。
圖2，升壓因子和相應(yīng)的占空比( Duty Cycle )的關(guān)系曲線圖
圖2中曲線的變化真實(shí)地顯示出輸出端負(fù)載電阻和電感的直流電阻的改變，對(duì)升壓因子造成的影響。假設(shè)負(fù)載電阻為100Ω，48V的輸出電壓，這對(duì)應(yīng)于負(fù)載電流480mA。當(dāng)電感的串聯(lián)電阻（DCR）只有2Ω，最大升壓因子是有可能剛好超過(guò)3; 但對(duì)于DCR為1Ω，略高于5的升壓因子是可以實(shí)現(xiàn)的。如要求更高的升壓因子，就必須選用具有更低的串聯(lián)電阻值的電感。
升壓轉(zhuǎn)換器電感的選擇
電感值的選擇很重要，因?yàn)樗鼪Q定了電感上的電流紋波，從而決定了輸出端的電壓紋波。根據(jù)圖1，平均電感電流IL,AVE由下式給出：
其中xD 是占空比 (Duty Cycle); ILOAD 是負(fù)載電流。
峰值電感紋波電流與電感值成反比
當(dāng)中fSW是開(kāi)關(guān)頻率; L是電感值。
假設(shè)升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式 ( Continuous Conduction Mode, CCM) 下工作，峰值電感電流可從公式(1)和(2)得出，具體計(jì)算如下：
較小的電感值的器件通常體積較小，較便宜，但根據(jù)公式（3）可以知道這樣會(huì)增加紋波電流，較大的紋波電流也會(huì)增加電感器內(nèi)核的功率損耗。電感值太大會(huì)導(dǎo)致額外費(fèi)用，另外，如應(yīng)用于電流模式控制（current-mode control）時(shí)，過(guò)大的電感值也會(huì)降低斜率補(bǔ)償（Slope-Compensation）線路在高占空比 ( >50 % ) 時(shí)的效益。
多相輸出的優(yōu)勢(shì)
而另一個(gè)獲得較高升壓因子的方案就是使用多相(Multi Output Phases )。以ADI公司的LTC7840芯片為例，當(dāng)中包含兩個(gè)升壓控制器。這使得實(shí)現(xiàn)兩相升壓概念變得容易。圖三顯示了電源電壓為12V的示例，輸出升壓至240V電壓。兩相升壓級(jí)將電壓分開(kāi)增加，使得每級(jí)僅需要將電壓增加約4.5倍。
圖3，兩相概念：用于從低輸入電壓產(chǎn)生極高輸出電壓
比較使用單相升壓轉(zhuǎn)換器，多相輸出有更高的效率，更小的尺寸和更低的電容器紋波電流的優(yōu)勢(shì)。更高的有效開(kāi)關(guān)頻率和相位紋波電流可顯著降低濾波電容的尺寸和成本，并降低輸出紋波。
多相輸出升壓控制器選型
Digi-Key官網(wǎng)上，升壓控制器篩選列表參數(shù)中提供了不少參數(shù)選項(xiàng)以協(xié)助工程師選料，其中“輸出階段”便是其中之一。“輸出階段”即代表芯片可以有多少相輸出。
篩選列表中的參數(shù)選項(xiàng)多，意味著工程師在選料時(shí)更能了解其他參數(shù)的可選擇性，例如“輸出類型”、“串行接口”或“封裝”等這些對(duì)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)重要的參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)也可清楚地展現(xiàn)出物料的市場(chǎng)導(dǎo)向。
圖4，Digi-Key官網(wǎng)上升壓控制器部份參數(shù)選項(xiàng)
例如在查找四相輸出升壓控制器時(shí)，得出Renesas公司的ISL78225ANEZ，再經(jīng)搜尋功能中“零件比較”的協(xié)助（如何比較？可訪問(wèn)Digi-Key官網(wǎng)中「隱藏的搜索秘密」的零件搜索小技巧!）
圖5，ISL78225ANEZ與LTC7840EUFD#PBF芯片的參數(shù)比較
總結(jié)
傳統(tǒng)的“單相輸出”升壓轉(zhuǎn)換器線路中，雖然線路簡(jiǎn)單，但在已知輸入電壓的情況下輸出電壓也會(huì)受限制，所以在要求更高升壓因子的應(yīng)用中，“多相輸出”是一個(gè)可行的選擇。市場(chǎng)上已有包含“多相輸出”的單芯片可供選擇。
與單相轉(zhuǎn)換器比較，使用多相輸出還可獲得更高效率、更小尺寸和更低電容器紋波電流等優(yōu)勢(shì)，更高的有效開(kāi)關(guān)頻率和相位紋波電流可顯著降低濾波電容的尺寸和成本，并降低輸出紋波。
