使用双升压转换器扩展高转换比设计的功率范围
任何升压转换器设计都会对从输入到输出的电压升高程度存在实际限制。脉宽调制 (PWM) 控制器具有时序限制，限制了场效应晶体管 (FET) 的允许接通和断开时间。时序限制将有效地限制可实现的升压比，尽管这个缺点在使用电感器而不是变压器或耦合电感器作为其磁性的拓扑中更为明显。在本电源技巧中，我将比较各种可扩展升压比的非隔离单端升压拓扑，并介绍双升压转换器作为实现大转换比和高电流输出负载的选项。
图 1显示了具有单个电感器、FET 和二极管的标准升压转换器。任何生成 PWM 信号的升压控制器都对其占空比有时序限制。
图 1标准升压转换器使用单个电感器、FET 和二极管。资料德州仪器合作伙伴内容
Lumissil 的第三代电容传感技术增强了检测可靠性Lumissil 的第三代电容传感技术增强了检测可靠性2023年11月27日
占空比因控制器而异，但一般来说，开关频率越高，限制越低。虽然现代升压控制器的占空比可以超过 90%，但如果需要非常大的输出电压，此特性仍可能限制其功能。假设使用理想二极管，公式 1 将连续导通模式 (CCM) 升压转换器的占空比表示为：
您还可以将公式 1 重新排列为公式 2，以显示输入与输出电压的升压比：
假设占空比为 80%，CCM 升压转换器可以将输入到输出的电压升高五倍。以断续导通模式 (DCM) 运行是实现更高转换比的一种选择；然而，间断运行所需的较低电感将导致整个功率级出现较高的峰值电流。然后，随着输出功率要求的增加，更高的峰值电流将限制您可以在功率级中使用的组件。
增加控制器升压范围的另一种选择是在输出中添加电荷泵。图 2在标准升压转换器中添加了一个二极管和一对电容器。添加后续的电容器二极管级可以进一步提高升压能力。
图 2电荷泵使用额外的电容器和二极管来倍增电压升压。资料德州仪器对于m 个电荷泵级，公式 3 计算出此拓扑变化的升压比：
使用与之前相同的 80% 占空比限制，两级电荷泵升压转换器可以将输入到输出的电压升高 10 倍。如果您需要更大的升压比，添加级可以进一步增加电荷泵的范围。这种方法的缺点是每个电荷泵级在源极和负载之间添加了一对二极管。每个二极管对都会增加转换器的总二极管传导损耗，从而使该拓扑不太适用于高输出电流应用。
对于需要大幅升压和较大持续负载电流的设计，双升压转换器成为可靠的选择。顾名思义，该拓扑展示了控制两个级联升压转换器的共享 PWM 信号。图 3显示了使用单个 PWM 输入运行的双升压转换器。虽然电荷泵按比例增加所用级数的升压比，但双升压转换器的优点是升压比对于给定级数呈指数增加。
图 3双升压转换器级联一对级以优化升压转换。资料德州仪器公式 4 将n 个升压级的输出与输入电压之比表示为：
与相同的 80% 占空比示例保持一致，双升压转换器可以将输入到输出的电压升压 25 倍。与使用标准升压转换器的五倍升压和使用两级电荷泵升压的十倍升压相比，这大大增加了范围。
表 1列出了三种升压拓扑变化之间的差异。一般来说，双升压转换器是这些拓扑中性能的。然而，性能的提高伴随着组件数量的增加和设计复杂性的增加。
特征
定期提升
电荷泵
双升压
物料清单尺寸
小的
中等的
大的
V DS 应力
输出电压
输出电压/米
√V输出xV输入，V输出
（需要两个 FET）
磁学
单电感
单电感
两个电感
实际应用
较小的升压比
（V输出< 10 x V输入）
更大的升压比
（V输出> 10 x V输入）
升压比非常大，功率高
（V输出>> 10 x V输入）
局限性
占空比限制
BOM 数量高
成本高
表 1非隔离升压变型之间的比较摘要。
设计双升压的功率级时，请单独考虑每个升压。换句话说，在为双升压转换器选择组件时，对待输入到中间电压与中间到输出电压的方式不同。
假设双升压转换器的两级均以 CCM 运行，公式 5 将中间电压 (Vmid) 表示为：
中间电压是大部分性能提升的来源。通过将转换分为两个步骤，级可通过 FET 和二极管上的较低电压处理较高的电流应力，而第二级则以较低的电流转换较高的电压。对于每种情况，各个功率级的每个组件都可以帮助优化功率损耗。整流器的选择也更加灵活。例如，低电压、高电流部分可以使用同步整流器来提高效率，同时高电压、低电流部分仍使用二极管。
双升压转换器的主要缺点是其复杂性和高部件数量。由于 Vmid 在输入电压范围内变化，因此您必须考虑输入的两个极端。高转换率设计往往需要更多组件。然而，与电荷泵升压级相比，双升压转换器需要更多独特的部件。与级相比，第二级上电压较高的 FET 可能需要更高的栅极驱动电压。在输入电压非常低的情况下，设计可能必须包括第二个栅极驱动器才能驱动更高电压的 FET。
所有升压 PWM 控制器的占空比都有限制，从而限制了电压转换能力。双升压转换器等拓扑变化增加了许多选项来扩展此可用范围。双升压转换器的灵活性使您能够在设计中实现高转换比要求，同时仍然具有足够的效率来处理较重的负载条件。
