1. 从一个闲置MOS管说起为什么要自己搭升压电路手头攒了一堆拆机MOS管和几颗功率电感放着也是放着不如拿来搭个升压电路。这个念头我估计很多玩电子的朋友都有过——手头只有3.7V锂电池但某个模块偏偏要5V甚至12V才能跑起来买现成的升压模块当然省事可如果你连它里面到底怎么工作的都说不清楚出了问题就只能干瞪眼。所以这篇内容就是把我自己从零搭一个简易升压电路的全过程整理出来包括MOS管怎么选、电感怎么挑、PWM怎么调压以及我在调试过程中踩过的那些坑。升压电路的核心思路其实不复杂电感是个“惯性元件”电流不能突变你给它通电它就把电能存进磁场里你一断电它就把磁场里的能量吐出来。利用这个特性配合MOS管的高速开关就能把低电压“泵”到高电压。这个原理在开关电源里叫Boost拓扑是所有升压电路的基础。你手机里的背光驱动、电瓶车控制器里的辅助电源、甚至某些变频板上的自举升压电路底层逻辑都是这一套。这篇文章适合谁看如果你刚学完模电、知道MOS管有三个极但说不清楚怎么用它做开关、想动手做一个能实际工作的升压电路那这篇内容就是写给你的。我会从器件选型讲到电路搭建从PWM信号生成讲到闭环调压每一步都给出具体的参数和操作过程。不需要你有示波器但有一台万用表会方便很多。2. 升压电路的底层逻辑与核心器件选型2.1 Boost拓扑的工作原理电感的“倔脾气”怎么被利用Boost升压电路的基本结构就四个关键器件电感、MOS管开关管、二极管、输出电容。输入电源经过电感接到MOS管的漏极MOS管的源极接地二极管从漏极引出接到输出电容和负载。整个工作过程分两个阶段。第一阶段MOS管导通。这时候电流从电源正极流经电感再通过MOS管的漏源极到地形成一个回路。电感两端电压等于输入电压电流线性上升电能以磁场的形式储存在电感里。这时候二极管是截止的因为MOS管漏极被拉到接近地电位输出电容上的电压高于这个电位二极管反偏。负载此时靠输出电容供电。第二阶段MOS管关断。电感里的电流不能突变它会想办法维持原来的电流方向。于是电感感应出一个反向电动势把漏极电压“顶”上去直到二极管导通电流通过二极管流向输出电容和负载。这时候电感把之前储存的能量释放出来给电容充电、给负载供电。因为电感电压和输入电压叠加在一起所以输出电压可以高于输入电压。这个过程的本质就是MOS管导通时电感储能MOS管关断时电感释能。输出电压的高低取决于储能和释能的比例而这个比例由PWM信号的占空比决定。占空比越大导通时间越长储能越多输出电压越高。理想情况下Boost电路的输出电压等于输入电压除以1减去占空比。比如输入3.7V占空比50%理论输出就是7.4V。当然实际因为有二极管压降、MOS管导通电阻、电感直流电阻等损耗输出会低一些。2.2 MOS管选型别只看电流电压这三个参数才是关键选MOS管的时候很多人第一反应是看耐压和额定电流这没错但远远不够。在升压电路里MOS管工作在高速开关状态有三个参数直接决定电路能不能正常工作、效率高不高。第一个是导通电阻Rds(on)。这个参数决定了MOS管导通时自身消耗多少功率。举个例子如果电路平均电流是2AMOS管导通电阻是50毫欧那导通损耗就是2×2×0.050.2W。听起来不大但如果你选的MOS管导通电阻是200毫欧损耗就变成0.8W管子会明显发热。所以选型时在耐压满足的前提下导通电阻越小越好。常见的低导通电阻MOS管比如IRF32058毫欧、IRLZ44N22毫欧都是升压电路里常用的型号。第二个是栅极电荷Qg。这个参数决定了驱动MOS管需要多少电荷。Qg越大开关速度越慢开关损耗越大。在高频PWM驱动下如果Qg太大而驱动能力不足MOS管会长时间停留在放大区发热严重甚至烧毁。一般来说对于几十千赫兹的PWM频率选Qg在几十纳库仑以内的MOS管比较合适。第三个是阈值电压Vgs(th)。这是MOS管开始导通的栅源电压。逻辑电平MOS管如IRLZ44N的阈值电压在1V到2V之间可以直接用3.3V或5V的单片机IO口驱动。标准MOS管如IRF3205阈值电压在2V到4V用5V驱动勉强可以但导通电阻会偏大。如果你用3.3V单片机一定要选逻辑电平MOS管否则MOS管可能根本导通不了或者导通电阻很大导致发热。还有一个容易被忽略的参数是寄生电容包括输入电容Ciss、输出电容Coss和反向传输电容Crss。Crss就是米勒电容它会在开关过程中产生米勒平台影响开关速度。米勒效应是MOS管驱动电路设计里绕不开的问题后面讲驱动的时候会详细说。2.3 电感选型饱和电流和直流电阻决定成败电感是升压电路里最关键的储能元件选错了整个电路要么效率极低要么直接不工作。选电感主要看三个参数电感值、饱和电流、直流电阻。电感值决定了纹波电流的大小。电感越大电流纹波越小但响应速度越慢体积也越大。对于简易升压电路电感值一般在10微亨到100微亨之间。我手头正好有一些丝印“4R7”的电感也就是4.7微亨这个值偏小适合频率较高的场合。如果你用50kHz的PWM频率建议选22微亨到47微亨。饱和电流是电感的“底线”。一旦电流超过饱和电流电感量会急剧下降储能能力骤减电路效率暴跌MOS管电流飙升。所以饱和电流必须大于电路的最大峰值电流。峰值电流等于平均电流加上一半的纹波电流。假设输入3.7V输出5V负载电流1A效率80%那输入平均电流大约是5×1÷3.7÷0.8≈1.69A。如果纹波电流是平均电流的30%峰值电流就是1.69×1.15≈1.94A。所以电感的饱和电流至少要2A以上留点余量选3A更稳妥。直流电阻DCR决定了电感的铜损。DCR越大电流流过时发热越严重效率越低。一般选DCR在几十毫欧以内的功率电感。传统铁氧体功率电感的饱和电流参数往往偏低大电流下容易饱和所以在大电流场合更推荐一体成型电感或铁硅铝磁环电感。2.4 二极管和电容容易被忽视但影响效率的配角二极管在升压电路里承担续流任务必须选肖特基二极管不能选普通整流二极管。原因有两个一是肖特基二极管正向压降低一般0.3V到0.5V而普通硅二极管是0.7V到1V压降直接吃掉效率二是肖特基二极管反向恢复时间极短适合高频开关场合。选型时耐压要大于输出电压电流要大于最大负载电流。比如输出5V、1A选SS3440V/3A就绰绰有余。输出电容的作用是平滑输出电压、降低纹波。容值越大纹波越小但太大也会影响环路响应。一般选100微法到470微法的电解电容并联一个0.1微法的陶瓷电容滤高频。电容的耐压要大于输出电压留20%以上余量。比如输出5V选10V或16V耐压的电容。3. 手把手搭建从原理图到实际电路3.1 原理图设计与元件清单先把电路原理理清楚。输入电源正极接电感一端电感另一端接MOS管漏极和二极管阳极。MOS管源极接输入电源负极地。二极管阴极接输出电容正极和负载正极。输出电容负极接负载负极和地。PWM信号从单片机或信号发生器出来经过栅极电阻接到MOS管栅极栅极和地之间接一个下拉电阻。元件清单如下元件规格数量备注MOS管IRLZ44N1逻辑电平55V/47ARds(on)22mΩ电感47μH/3A1功率电感DCR50mΩ肖特基二极管SS34140V/3A输出电容220μF/16V1电解电容陶瓷电容0.1μF1并联在电解电容旁栅极电阻10Ω1限制栅极充电电流下拉电阻10kΩ1确保MOS管默认关断负载电阻10Ω/5W1假负载调试用单片机任意带PWM的1或者信号发生器栅极电阻选10Ω是有讲究的。太小了栅极充电电流太大可能损坏单片机IO口或者引起振铃太大了开关速度慢开关损耗大。10Ω到22Ω是比较常用的范围。下拉电阻10kΩ确保在没有PWM信号时MOS管可靠关断避免误导通。3.2 面包板搭建与关键节点检查我建议先在面包板上搭一遍确认电路能工作再焊到洞洞板上。面包板搭建的顺序是先接电源和地再接电感、MOS管、二极管、电容最后接PWM信号线。每一步接完都用万用表检查一下有没有短路。具体操作把MOS管插在面包板上注意三个引脚不要插错。面对MOS管印字面从左到右一般是栅极G、漏极D、源极S。但不同型号引脚排列可能不同一定要查数据手册确认。我用的IRLZ44N是TO-220封装面对印字面从左到右是G、D、S。电感一端接电源正极另一端接MOS管漏极。二极管阳极接MOS管漏极阴极接输出电容正极。输出电容负极接地。栅极电阻一端接MOS管栅极另一端接PWM信号线。下拉电阻接在MOS管栅极和地之间。接完之后先不接PWM信号用万用表测一下输入和输出之间有没有短路。正常应该没有直接通路因为MOS管默认关断二极管反偏。然后接上电源测输出电压应该接近输入电压减去二极管压降因为此时电路没有开关动作电感就是一根导线输入电压通过电感和二极管加到输出。如果输出电压为零检查二极管方向是不是接反了。3.3 PWM信号生成频率和占空比怎么定PWM信号可以用单片机生成也可以用NE555搭一个。我用的是STM32配置TIM1的通道1输出PWM频率设为50kHz占空比先设50%。为什么选50kHz因为频率太低电感会发出啸叫声频率太高开关损耗大。20kHz到100kHz是比较合适的范围50kHz居中既听不到啸叫开关损耗也可以接受。占空比的计算前面说过理想情况下VoutVin/(1-D)。输入3.7V想要输出5V那1-D3.7/50.74D0.26也就是26%的占空比。但实际因为有损耗占空比需要比理论值大一些。我一般从30%开始调用万用表监测输出电压慢慢增加占空比直到输出电压达到目标值。这里有个关键点占空比不能超过80%。占空比太高MOS管导通时间太长电感储能太多但释放时间太短输出电压反而上不去而且MOS管和电感电流会非常大容易烧器件。所以调试时占空比从20%开始逐步增加同时监测输入电流和MOS管温度。3.4 上电调试第一次通电要注意什么第一次通电建议用可调电源限流设小一点比如500mA。这样即使电路有问题也不会烧器件。通电后先看输入电流如果电流很大超过限流值说明有短路立刻断电检查。如果电流正常测输出电压。我第一次通电时输出电压只有3.2V比输入还低。检查发现是MOS管没导通因为PWM信号幅度只有3.3V而IRLZ44N虽然标称逻辑电平但在3.3V驱动下导通电阻还是偏大。后来把PWM信号幅度提高到5V输出电压立刻上去了。所以如果你用3.3V单片机驱动MOS管最好加一级电平转换或者用专门的栅极驱动芯片。调压的时候用万用表监测输出电压同时用手摸MOS管和电感如果烫手说明效率太低或者电流太大。正常情况下MOS管和电感应该只是微温。如果发热严重检查PWM频率是不是太低、电感是不是饱和了、MOS管驱动是不是不足。4. PWM调压技巧与效率提升实战4.1 开环调压占空比与输出电压的关系曲线开环调压就是固定PWM频率只改变占空比观察输出电压的变化。我实测了一组数据输入3.7V电感47μH负载10ΩPWM频率50kHz占空比理论输出实测输出输入电流20%4.63V4.21V0.38A30%5.29V4.85V0.52A40%6.17V5.62V0.71A50%7.40V6.58V0.95A60%9.25V7.92V1.28A70%12.33V9.85V1.76A可以看到实测输出始终低于理论值而且占空比越高差距越大。这是因为损耗随着电流增大而增加。二极管压降、MOS管导通电阻、电感直流电阻都在吃掉能量。所以如果你需要精确的输出电压开环控制是不够的必须加反馈。4.2 闭环调压用ADC采样和PID算法稳住输出闭环调压的思路很简单用单片机的ADC采集输出电压和设定值比较根据差值调整PWM占空比。差值大就多调一点差值小就少调一点这就是PID控制的基本思想。我用的简化版比例控制每10毫秒采样一次输出电压计算误差error设定值-实测值然后占空比调整量Kp×error。Kp取0.01左右比较合适。比如设定5V实测4.8V误差0.2V占空比增加0.002也就是0.2%。这样慢慢逼近不会震荡。调试PID的时候先把Kp调小观察输出电压能不能稳定。如果震荡就减小Kp如果响应太慢就增大Kp。积分项和微分项在简易应用里可以先不加比例控制已经能把输出电压稳定在±0.1V以内。这里有个坑ADC采样的时候要避开MOS管开关瞬间的噪声。我一开始没注意ADC读数跳动很大导致占空比乱调。后来在ADC采样前加了一个简单的软件滤波连续采10次取平均值读数就稳定了。硬件上也可以在输出电容旁边并联一个0.1μF陶瓷电容滤掉高频噪声。4.3 效率提升从70%到85%的几个关键改动我最初搭的电路效率只有70%左右输入3.7V、输出5V、负载1A的时候输入电流达到1.93A算下来效率只有70%。后来做了几个改动效率提升到85%以上。第一个改动是换低导通电阻的MOS管。原来用的IRF540N导通电阻44毫欧换成IRLZ44N的22毫欧导通损耗直接减半。如果你有导通电阻更低的管子比如IRF3205的8毫欧效果更明显。第二个改动是换低DCR的电感。原来用的工字电感DCR有200多毫欧换成一体成型电感DCR只有30毫欧铜损大幅降低。电感选型的时候一定要看DCR参数别只看电感值和饱和电流。第三个改动是提高PWM频率到100kHz。频率提高后电感可以选小一点纹波电流也小输出电容可以小一点。但频率提高会增加开关损耗所以需要配合更好的MOS管驱动。我在栅极电阻上并联了一个二极管阴极朝栅极加速MOS管关断减少开关损耗。第四个改动是在二极管两端并联RC吸收电路。二极管反向恢复时会产生电压尖峰不仅增加损耗还可能击穿二极管。并联一个100Ω电阻和100pF电容串联的网络吸收尖峰效率能提升2到3个百分点。4.4 常见问题速查表现象可能原因排查方法解决方法输出电压等于输入电压MOS管没导通测栅极电压检查PWM信号、换逻辑电平MOS管输出电压低于输入电压二极管接反或损坏测二极管方向更换二极管MOS管发热严重驱动不足或频率太低测栅极波形加驱动芯片、提高频率电感发热严重饱和或DCR太大测电感电流波形换大饱和电流、低DCR电感输出电压不稳反馈环路震荡观察ADC读数减小Kp、加软件滤波效率低于70%损耗太大测各元件温度换低阻MOS管和电感空载时输出电压飙升没有假负载测空载输出加假负载或闭环控制带载后电压跌落输入电流不足测输入电流换大电流电源、降低负载5. 进阶玩法从简易升压到实用电源5.1 自举升压让MOS管驱动更可靠前面提到MOS管驱动不足会导致发热解决方法是加栅极驱动芯片或者用自举电路。自举升压的原理是利用电容储能在MOS管关断期间把驱动电压“抬”到高于输入电压的水平确保MOS管充分导通。很多变频板上的自举升压电路就是这个思路用一个小电容和二极管配合PWM信号就能把驱动电压提升到10V以上。具体做法在栅极电阻和MOS管栅极之间加一个自举电容比如1μF和一个自举二极管比如1N4148。自举二极管阳极接驱动电源正极阴极接自举电容正极。自举电容负极接MOS管源极。这样当MOS管关断时驱动电源通过自举二极管给自举电容充电当MOS管导通时自举电容上的电压叠加在驱动信号上使栅极电压高于源极电压保证MOS管充分导通。5.2 耦合电感T型等效理解电感耦合对电路的影响如果你用两个电感耦合在一起就构成了耦合电感。耦合电感在升压电路里可以用来实现更高的升压比或者更好的效率。耦合电感的T型等效模型是把两个耦合电感等效成三个电感两个漏感和一个励磁电感。励磁电感储存能量漏感影响开关瞬间的电压尖峰。理解这个模型对设计升压电路很有帮助。比如你发现MOS管关断时电压尖峰很大可能就是漏感太大。解决方法可以是减小漏感用耦合更紧的电感或者加吸收电路。励磁电感公式Lmk×√(L1×L2)其中k是耦合系数。耦合系数越接近1励磁电感越大储能能力越强。5.3 从升压电路到恒流源运放加MOS管的玩法升压电路加上电流采样电阻和运放就能变成恒流源。思路是在负载回路里串一个采样电阻用运放放大采样电阻上的电压和设定值比较输出控制PWM占空比。这样无论负载电阻怎么变输出电流都恒定。这个玩法在驱动LED的时候特别有用。LED需要恒流驱动用升压电路加恒流控制就能用3.7V锂电池点亮多颗串联的LED。运放选轨到轨的比如LM358MOS管选逻辑电平的采样电阻选0.1Ω/1W的。调试的时候先调恒流值再调升压比确保在整个负载范围内都能正常工作。5.4 电感选型的进阶知识饱和电流与温度的关系电感的饱和电流不是固定值它随温度升高而降低。比如一个标称3A饱和电流的电感在80℃时可能只有2.4A。所以如果你的电路工作环境温度较高选电感时要留更大的余量。一般建议饱和电流至少是最大峰值电流的1.5倍。另外电感的DCR也随温度升高而增大铜的电阻温度系数是0.4%/℃。温度从25℃升到100℃DCR增加30%。这意味着高温下铜损更大效率更低。所以大电流场合最好选DCR小的电感并且注意散热。6. 我在调试中踩过的坑与个人经验第一个坑是MOS管栅极悬空。有一次我忘了接下拉电阻PWM信号没输出的时候MOS管栅极悬空结果MOS管误导通输入电源直接通过电感和MOS管短路电流飙升幸好电源有限流保护。从那以后我每次都会检查下拉电阻。第二个坑是电感饱和。我用了一个标称2A的电感结果电路工作电流1.5A的时候电感就饱和了电感量骤降MOS管电流飙升效率从80%掉到50%。后来换了一个3A饱和电流的电感问题解决。所以电感的饱和电流一定要留足余量。第三个坑是二极管反向恢复。一开始我用的是普通整流二极管结果效率很低而且二极管发热严重。换成肖特基二极管后效率立刻提升。肖特基二极管的反向恢复时间极短几乎可以忽略特别适合高频开关场合。第四个坑是ADC采样噪声。闭环调压的时候ADC读数跳动导致占空比乱调输出电压震荡。后来在软件里加了滑动平均滤波连续采10次去掉最大最小值再取平均读数就稳定了。硬件上在ADC输入端加RC低通滤波也有帮助。第五个坑是PWM频率与电感啸叫。一开始我用10kHz的PWM频率电感发出明显的啸叫声。后来提高到50kHz啸叫消失。人耳能听到的声音频率范围是20Hz到20kHz所以PWM频率要避开这个范围一般选20kHz以上。最后分享一个小技巧调试升压电路的时候用示波器看MOS管漏极波形是最直观的。正常的波形应该是方波上升沿和下降沿有轻微振铃。如果波形上升沿很慢说明驱动不足如果振铃很严重说明漏感太大或者吸收电路没调好。没有示波器的话用万用表的频率档测漏极电压的频率也能判断电路有没有正常工作。这个电路后续还可以扩展成多路输出比如一路5V一路12V用两个电感两个MOS管分别控制。也可以加上电压电流显示用一个小屏幕实时监测。如果你对效率要求更高可以把二极管换成同步整流MOS管效率能再提升5到10个百分点。