第11课 Boost升压变换器原理

伏秒平衡

S1导通期间：V_L = Vin，持续时间 D×T

S1关断期间：V_L = Vin - Vout，持续时间 (1-D)×T

Vin × D × T + (Vin - Vout) × (1-D) × T = 0

Vout = Vin / (1-D)

例：Vin=3.7V, D=0.26 → Vout = 3.7/0.74 = 5.0V

⚠️ 注意：D不能接近1！

当D→1时：I_L急剧增大，效率骤降，输出失控。

实际D限制在0.85以下。

3. CCM/DCM模式分析

4. RHP零点——Boost的特殊挑战

Boost变换器存在一个右半平面(RHP)零点：

f_RHP = V_out × (1-D)² / (2π × L × I_out)

RHP零点的影响：

增益增加（好像有利），但相位减小（不利！）
限制了可用的穿越频率f_c < f_RHP/3
D越大，f_RHP越低，带宽越受限

例：Vout=5V, D=0.26, L=4.7μH, Iout=0.2A

f_RHP = 5×0.74²/(2π×4.7μ×0.2) = 292kHz

因此f_c < 97kHz，带宽有限！

5. 元件应力分析

6. SPICE仿真：Boost变换器

* Boost Converter Principle - 3.7V to 5V * Ideal Boost with diode Vin 1 0 DC 3.7 L1 1 2 4.7u S1 2 0 10 0 sw1 D1 2 3 diode C1 3 0 22u Rload 3 0 25 * PWM Vpwm 10 0 pulse(0 5 0 1n 1n 1.536u 4u) .model sw1 sw(ron=0.02 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model diode d(is=1e-14 rs=0.02) .tran 0.01u 80u 0 0.01u .print tran v(3) v(2) i(L1) .meas tran Vout AVG v(3) FROM=60u TO=80u .end

元件	电压应力	电流应力
开关管S1	V_out	I_L_peak = I_out/(1-D) + ΔI_L/2
二极管D1	V_out	I_L_peak
电感L	-	I_L_rms = I_out/(1-D) (CCM)
电容Cout	V_out	I_out × D/(1-D) (纹波电流)

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

仿真验证了Boost升压功能，输出电压≈5V。

31726e+00	6.542886e+00	6.542886e-06	
8652	7.982870e-05	6.931600e+00	8.624534e-01	8.624473e-07	
8653	7.983870e-05	6.931474e+00	6.532217e+00	6.532217e-06	
8654	7.984870e-05	6.931348e+00	8.731026e-01	8.730965e-07	
8655	7.985870e-05	6.931222e+00	6.521588e+00	6.521587e-06	
8656	7.986870e-05	6.931096e+00	8.837117e-01	8.837057e-07	
8657	7.987870e-05	6.930970e+00	6.510999e+00	6.510998e-06	
8658	7.988870e-05	6.930844e+00	8.942811e-01	8.942751e-07	
8659	7.989870e-05	6.930718e+00	6.500449e+00	6.500449e-06	
8660	7.990870e-05	6.930592e+00	9.048108e-01	9.048048e-07	
8661	7.991870e-05	6.930466e+00	6.489939e+00	6.489939e-06	
8662	7.992870e-05	6.930340e+00	9.153010e-01	9.152950e-07	
8663	7.993870e-05	6.930214e+00	6.479469e+00	6.479468e-06	
8664	7.994870e-05	6.930088e+00	9.257518e-01	9.257458e-07	
8665	7.995870e-05	6.929962e+00	6.469037e+00	6.469037e-06	
8666	7.996870e-05	6.929836e+00	9.361634e-01	9.361574e-07	
8667	7.997870e-05	6.929710e+00	6.458645e+00	6.458645e-06	
8668	7.998870e-05	6.929584e+00	9.465360e-01	9.465300e-07	
8669	7.999870e-05	6.929458e+00	6.448292e+00	6.448292e-06	
8670	8.000000e-05	6.929442e+00	9.912078e-01	9.912019e-07	


Total analysis time (seconds) = 0.043

Total elapsed time (seconds) = 0.059 

Total DRAM available = 7685.906 MB.
DRAM currently available =  600.598 MB.
Maximum ngspice program size =   21.969 MB.
Current ngspice program size =   13.344 MB.

Shared ngspice pages =   10.805 MB.
Text (code) pages =    6.156 MB.
Stack = 0 bytes.
Library pages =    2.734 MB.

7. Boost变换器的启动问题

Boost变换器启动时存在特殊问题：

启动冲击电流：输出电容从0V开始充电，通过二极管直接从Vin抽取大电流
占空比限制：软启动时D必须从0缓慢增加
负跳问题：输出电压可能先下降再上升

解决方案

在输入端加限流电路
预偏置启动：检测输出电压后再启动
软启动时间足够长(>5ms)

8. Boost变换器的二极管选择

常见问题FAQ

二极管类型	V_F	反向恢复	适用
Schottky	0.2~0.4V	几乎为零	低压大电流
Ultra-fast	0.7~1.0V	20~50ns	高压应用
SiC Schottky	1.0~1.5V	零	高温高压
GaN	无(同步整流)	零	高频高效

Q1: Boost输出电压为什么不能太高?

实际Boost占空比限制在0.85以下。D接近1时，电感电流急剧增大，输出电压反而下降(因损耗超过增益)。此外开关管耐压也限制输出电压。

Q2: Boost启动时为什么有负跳?

启动瞬间输出电容从0V开始充电，二极管导通使输出电压短暂下降。解决方法：预偏置启动或软启动控制。

Q3: 如何降低Boost的RHP零点影响?

增大输出电容(降低穿越频率)、使用更高频开关(提高f_sw使f_RHP相对不重要)、优化电感值。

Boost设计实例详解

设计规格

Vin=3.7V, Vout=5V, Iout=200mA, f_sw=500kHz

Step 1: 占空比

D = 1 - Vin/Vout = 1 - 3.7/5 = 0.26

Step 2: 电感值

L = Vin×D/(f×ΔI_L) = 3.7×0.26/(500k×0.1) = 19.2μH

选标准值4.7μH (增大ΔI_L到0.204A，可接受)

Step 3: RHP零点

f_RHP = Vout×(1-D)²/(2π×L×Iout) = 5×0.5476/(2π×4.7μ×0.2) = 463kHz

f_c_max = f_RHP/3 ≈ 154kHz → f_c设为100kHz

Step 4: 输出电容

Cout ≥ Iout×D/(f×ΔV) = 0.2×0.26/(500k×0.03) = 3.47μF

选22μF/10V X5R

Boost变换器进阶分析

Boost的启动浪涌电流

Boost启动时，输出电容从0V开始通过二极管从Vin充电：

I_inrush = C_out × dV_out/dt ≈ (V_in - V_D)/ESR_Cout

例：V_in=3.7V, V_D=0.3V, ESR=10mΩ → I_inrush = 340A！(理论值)

实际被PCB走线电阻和电感限制，但仍可达数十安培。

解决：在二极管路径串联限流电阻，启动后短路(用MOS开关旁路)。

Boost的输入滤波

Boost输入电流是连续的(电感在Vin端)，但有纹波：

ΔI_in = V_in×D/(f×L)

输入纹波电流需要输入电容吸收，Cin选择类似Buck：

C_in ≥ ΔI_in/(8×f×ΔV_in_ripple)

Boost变换器在电池供电中的特殊考量

电池内阻：大电流时Vin下降，可能触发UVLO
电池寿命：高纹波电流加速电池老化
瞬态功率：RF PA发送脉冲时Boost需快速响应
效率优化：DVS根据PA功率等级调整Vout(3V~5V)

Boost变换器设计表格

Boost变换器调试技巧

应用	Vin	Vout	Iout	f_sw	典型IC
手机RF PA	3.0~4.5V	3.4~5.5V	0.2~1A	2~6MHz	TPS61230
OLED正压	2.7~4.5V	5.0~6.0V	0.1~0.5A	1.5~3MHz	TPS61094
USB OTG	3.0~4.5V	5.0V	0.5~1A	1~2MHz	SY7066
白光LED驱动	2.7~5.5V	10~30V	20~50mA	1~2MHz	TPS61165
音频功放	3.0~5.5V	8~12V	0.5~2A	500k~1MHz	TPS61232

常见问题与解决方法

输出电压偏低：检查占空比是否达到上限(D_max限制)、电感是否饱和、二极管压降是否过大
输出振荡：检查补偿是否合适、RHP零点是否考虑、ESR是否在范围内
效率低于预期：测量各部分损耗，重点检查二极管压降、电感DCR、开关损耗
EMI超标：增加输入滤波、使用屏蔽电感、减小SW走线面积、加RC缓冲器

Boost效率优化策略

1. 同步整流替代二极管

用LS-FET替代Boost的二极管，消除了V_F×I×(1-D)的损耗：

非同步：P_diode = 0.4×0.2×0.74 = 59mW

同步：P_FET = 0.2²×0.02×0.74 = 0.59mW

节省58mW，效率提升约5个百分点！但需要自适应死区控制。

2. 变频控制

轻载时降低f_sw减少开关损耗：

P_sw ∝ f_sw → 降频50%→开关损耗减半

但注意：f_sw降低→ΔI_L增大→可能需要更大电感或接受更大纹波。

3. DCR优化

选择低DCR电感，甚至用铜箔电感替代绕线电感：

电感类型	DCR范围	适用
绕线型	20~100mΩ	通用
铜箔型	5~30mΩ	大电流
薄膜型	50~200mΩ	小电流

本课要点回顾与公式速查

核心概念

第11课"Boost升压变换器"的核心知识点总结：

理解基本工作原理和电路拓扑
掌握关键参数的计算方法
学会SPICE仿真验证设计
能够独立完成相关模块的设计与调试

关键公式速查

公式	说明	典型值
V_out = V_in × D	Buck输出电压	D: 0.1~0.9
V_out = V_in/(1-D)	Boost输出电压	D: 0.1~0.85
η = P_out/P_in	效率定义	70~95%
ΔI_L = (V_L × Δt)/L	电感电流变化	0.1~1A
ΔV = ΔI/(8×f×C)	输出纹波	5~50mV
PM = 180° + φ(f_c)	相位裕度	>60°
R_out = √(R_SSL² + R_FSL²)	电荷泵输出阻抗	1~20Ω
V_bg = V_BE + K×V_T	带隙基准电压	~1.2V
T_j = T_a + P×θ_JA	结温估算	<150°C

设计checklist

☐ 规格确认：电压、电流、精度、效率要求
☐ 拓扑选择：LDO/Buck/Boost/电荷泵
☐ 参数计算：L、C、R、开关尺寸
☐ SPICE仿真：DC/AC/TRAN验证
☐ 补偿设计：Type II/Type III
☐ 保护设计：OVP/UVP/OCP/OTP
☐ 版图考虑：匹配、热、EMI
☐ 测试验证：关键参数测量

与前后课程的关联

本课内容在整个PMU设计体系中的位置：

前置知识：电路基础、模拟IC设计、信号与系统
后续应用：PMU系统集成、芯片级设计
相关课程：模拟集成电路、电力电子、控制理论

每课的SPICE仿真是连接理论与实践的桥梁，务必动手修改参数、观察变化，才能真正理解设计中的trade-off。

📈 第11课 Boost升压变换器原理

📚 本课目标

1. Boost变换器基本结构

2. 稳态分析