升壓轉換器(boost converter)
升壓轉換器是一種交換式穩壓器,做到看似不可能的事:它產生比輸入更高的輸出電壓,而且不用變壓器。它就是單顆 1.5 V 電池如何點亮 3 V LED、或行動電源如何把鋰電池的 3.7 V 變成 5 V USB 的方法。訣竅在電感對電流的固執——一個飛輪,當你突然想讓它停下時,會產生很大的電壓以維持電流流動,而升壓正是駕馭這一記反衝。
走一個週期。當(接地的)開關導通,電流在電感中爬升、儲存能量——此時輸出由它的電容撐住。開關斷開時,電感的電流無法瞬間停止,於是它硬擠過一顆二極體進入輸出,其電壓疊加在輸入之上,以高於單獨輸入的電壓把電荷推進輸出電容。理想升壓的 Vout = Vin / (1 - D),D 是工作週期。例如:5 V 輸入、60% 工作週期,得 5 / (1 - 0.6) = 5 / 0.4 = 12.5 V 輸出。
為何重要:升壓讓小電池能驅動較高電壓的負載、點亮 LED 背光與燈串、並偏壓需要高於現有電源軌的電路。誠實的提醒很實在。輸出無法從輸入端完全關斷——電感與二極體構成一條直流通路,所以即使開關從不動作,輸出仍坐在接近輸入處(沒有額外的斷開元件就無法真正關機)。輸入電流高於輸出電流(功率進等於功率出),所以大幅升壓會從電源抽取沉重的電流。而且和所有交換式一樣,升壓會產生漣波與 EMI。
行動電源把 3.7 V 鋰電池升壓到 5 V、輸出 1 A(5 W)。因為功率進等於功率出,它必須從電池抽取至少 5 W / 3.7 V = 1.35 A——考慮損耗還更多。這就是為何大幅升壓耗盡電池的速度,比單看輸出電流所暗示的更快。
Vout = Vin / (1 - D):電感的反衝把電壓抬到輸入之上。
升壓沒有天生的關閉狀態:即使開關停擺,電感與二極體的通路仍把輸入直接接到輸出,所以輸出無法低於約輸入減一個二極體壓降。真正的關機或短路保護需要額外的串聯斷開開關。