怎样通过BOOST变换器获取各种输出直流电压呢？

开关电源中的BUCK变换器，它是一种降压型的变换器拓扑结构，但是也有很多场合下我们需要升压型的拓扑结构，这就是本节我们将要讲述的Boost变换器，通过它获得的直流输出电压值比输入直流电压值要高。

在讲解BOOST变换器之前，我们先了解一下开关电源的分类，开关电源有很多种分类，拓扑结构也是一种分类的依据，这里我们介绍根据输入-输出电压类型（直流或交流）的分类方式，即“DC-DC”、“DC-AC”、“AC-DC”、“AC-AC”。其中，DC（Direct Current）表示直流电，AC（Alternating Current）表示交流电，因此，DC-DC即直流-直流变换器，表示输入与输出电压都是直流，BUCK与BOOST变换器就属于这一类，通过这一类变换器我们可以获取各种输出直流电压（降压或升压），如下图所示：

顾名思义，“DC-AC”即表示输入是直流电而输出是交流电，通常我们都希望将交流电处理成直流电来使用，而“DC-AC”则恰恰相反，因此也称它为“逆变器”，比如，我们可以通过它把电池组的低压转换成交流电220V@50Hz交流电再供给其它用电器，如下图所示：

上述两种模块一般工程师接触得更多一些，像我这样的普通老百姓用得最多的还是“AC-DC”模块，手机充电器就是其中之一。对于大多数的开关电源模块，“AC”指的就是网电220V@50Hz交流电，也就是家里给电视机、电脑、电灯泡、手机充电器等用电器提供能源的电能，而在开关电源内部，交流电是无法直接使用的，必须先用整流电路（桥式整流最常用）将其处理成直流电，再配合相应的变换电路即可获得各种输出直流电压，亦即“AC-DC”模块实质上可以看成是“AC-DC-DC”模块，如下图所示：

同样，“AC-AC”变换器可以看成是“AC-DC-AC”变换器，也称为“变频器”，即输入输出都是交流电，但频率是不一样的，如下图所示：

这种分类方式有助于我们进一步理解开关稳压电源，因为后续会涉及到很多的拓扑结构的变换器。下面我们来看看BOOST变换器（DC-DC变换器）。

需要注意的是：BUCK变换器中的很多概念，如占空比、PWM/PFM、效率、纹波、损耗、同步整流等等（包括后面讲到的伏秒法则）与BOOST变换器都是通用的（亦即概念都适合于其它变换器），因为开关电源的概念实在是太多了，集中在一节讲述不太适合消化，因此，如果在叙述上不是特别必要，将不会重新介绍，以免占用篇幅。

基本的BOOST变换器拓扑电路如下图所示：

与BUCK变换器类似，BOOST变换器也是由电感、电容、二极管组成，只不过位置有点不一样，其中，开关K1代表三极管或MOS管之类的开关管（本文以MOS管为例），通过矩形波控制开关K1只工作于截止状态（开关断开）或导通状态（开关闭合）。

下面我们来看看BOOST转换电路的工作原理（假设高电平开关闭合，低电平开关断开）。

当开关K1闭合时，电感L1对公共地是短路的，因此输入电源VI的能源储存在电感L1中，而输出负载的能源仅由电容C1提供。

当开关K1断开时，输入电源VI通过电感L1、二极管D1对电容C1充电的同时对负载提供能源，各位看官注意此时电感的极性，相当于输入电源VI与电感自感应电压VL1串联后对负载进行供电，这就是BOOST变换器能够升压的本质，此时等效图如下所示：

相关波形如下图所示：

上面这张图与BUCK是一样的，我们同样可以通过控制开关K1的导通时间（占空比）即可控制输出电压的大小（平均值），当控制信号的占空比越大时，输出电压的瞬间峰值越大，则输出平均值越大，反之，输出电压平均值越小。

根据电感电流的状态，我们可以把BOOST变换器（其它类型的开关电源也一样）分为三种工作模式。如果在矩形波控制信号每一个新的周期T到来时，电感电流IL都从不为零，则此模式为连续导通模式（Continuous Conduction Mode ,CCM），如下图所示：

相应的，如果在矩形波控制信号每一个新的周期T到来前，电感电流IL就已经为零，则此模式为断续导通模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM），如下图所示：

而如果在矩形波控制信号每一个新的周期T到来时，电感电流刚刚降为零，则此模式为临界导通模式（Boundary Conduction Mode,BCM），如下图所示：

很明显，对于一个稳定的开关电源方案，无论它处于哪种工作模式，电感电流IL在每个周期的电感电流I­L起始值应该都是一样的，亦即新周期内储存的能量等于新周期内释放的能量，我们通常用伏秒平衡法则来描述这种稳定状态，即：

V on ×t on =V off ×toff

上式就是说：稳定状态下，电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感电压乘以关断时间，如下图所示：

BOOST变换器的纹波概念与BUCK变换器是一致的，但是要注意的是：在相同的条件下（如开关频率、电感量、电容量等因素）BOOST变换器的纹波要大于BUCK变换器，因为前者在开关K1闭合时负载仅由电容C1提供能源，而后者总是电感与电容共同给负载提供能源，因此通常情况下，BOOST变换器的输出直流电压不会直接驱动芯片之类电路，而是先用BOOST升压后再用BUCK变换器或LDO等器件进行降压后给集成芯片供电，如下图所示：

这种电源方案在很多手持设备上都是一样的，比如手机、MID、MP3等等，通常锂电池都的最高电压约为4.2V，而3.7V时的续航能力是最强的，如果去掉BOOST变换级电路也是可以用的，即少了一级BOOST升压电路，降低了成本。

但是存在问题是：电池的续航能力差，亦即电池能源不能被充分地利用，现如今，大多数处理器集成芯片的IO引脚都需要3.3V电源，我们虽然可以用LDO从锂电池中得到3.3V，但当3锂电池放电到3.7V时，LDO就不一定能稳定地工作了（压差只有0.4V），就算勉强还可以工作，那锂电池放电到3.3V及以下呢？

LDO此时肯定无法工作，加入升压电路后，选择合适的升压芯片，就算锂电池低于3.3V也可以升压到5V，后级电路同样可以正常工作，爽歪歪！当然，成本自然要高一些，毕竟鱼和熊掌不可得兼，但续航能力关乎用户的首要体验，因此加入一级升压电路是值得的。

另外，大功率开关电源要求必须使用PFC（功率因数校正）提升电路的功率因数，这样提高网电能源利用率的同时，防止开关电源的无功分量高次谐波污染电网，而主动PFC一般都是BOOST升压变换器，因为它的输入电流是连续的，相对BUCK变换器而言更容易实现高功率因素，而且与上面的理由相似，可以适用于更宽范围的输入交流电压，细节我们在后续章节再讲述。

与BUCK变换器一样，对于具体的BOOST拓扑升压芯片，厂家都会提供典型的应用电路及相关的参数值，如下图所示为TI公司的集成升压芯片LM2577典型应用电路图：

LM2577的内部开关频率为52KHz，相应的也有超过MHz的开关频率芯片（开关频率越高则相应的纹波越小）

52KHz的开关频率真的不是很高（太低了LL），我们用下图所示的电路参数进行仿真：

其中，信号发生器XFG1设置驱动峰值电压为12V，频率为150KHz（可以把结果与BUCK变换器进行对比），占空比50%，如下图所示：

而监测的电路参数主要是电感后的电压、电感电流及输出电压（理论计算应为24V），我们看看下图所示的仿真结果：

其中，红线表示电感电流（处于CCM模式），蓝线表示电感的电压，绿线表示输出电压（其值为23.7V）。看起来输出电压还是比较稳定的，我们将输出电压曲线放大一下并测量一下其纹波值，如下图所示：

纹波峰峰值为4.65mV，还是比较低的，但比起BUCK变换器还是要大一倍，尽管我们把开关频率值上调到150KHz，而且将电容电感值都增加几倍，但神通不及天数，胳膊最终扭不过大腿。

尽管如此，BOOST变换器在很多场合也有其广泛的应用，比如LED驱动（如液晶模块LED背光），下图来自TI的LED驱动芯片TPS61169数据手册

大多数LED背光驱动都是这种BOOST变换器结构，以恒流的方式驱动多个LED灯，通过设置电阻RSET值即可调整背光的亮度（即调整LED灯电流），我们看看它的特性：

输入电压可低至2.7V，适合于锂电池升压，亦即可用于手机之类的含有锂电池的电子设备，开关频率为1.2MHz及超过90%的转换效率，这里有一个软启动，我们将在后续再讲解。

我们用下图所示电路参数仿真看看BOOST变换器的效率。

根据上图仿真结果，则有：

这转换效率爆表呀（这只是仿真结果），至于损耗相关的知识点可以参考BUCK变换器，此处不再赘述。

下图为TPS61169的PCB布局布线参考图：