一、前言

Boost 电路是一种常见的非隔离型升压 DC-DC 变换器，可以把较低的直流电压转换为较高的直流电压。

它的应用很广，例如：

• 电池供电设备

• LED 驱动

• 电机控制辅助电源

• 光源驱动

• 便携式仪器

• 储能系统

• 传感器和模拟电路高压供电

Boost 电路看起来结构简单，通常只有电感、MOS 管、二极管和输出电容，但真正做起来并不简单。

常见问题包括：

• 输出电压升不上去

• 电感发热或饱和

• MOS 管温升高

• 二极管发热严重

• 输出纹波大

• 开关节点振铃

• 带载后电压掉得厉害

• 上电瞬间过流

• PCB 布局不合理导致 EMI 很大

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二、Boost 电路的基本结构

一个最基本的 Boost 电路通常由以下器件组成：

• 输入电源 Vin

• 储能电感 L

• 功率 MOS 管 Q

• 续流二极管 D

• 输出电容 C

• 负载 RL

基本连接关系如下：

Vin → 电感L → 开关节点SW → 二极管D → 输出Vo
                         ↓
                       MOS管Q
                         ↓
                        GND

输出端并联输出电容和负载。

Boost 电路的核心不是直接把输入电压提高，而是利用电感先储能，再把电感释放的能量和输入电源叠加后送到输出端。

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三、Boost 电路的工作原理

Boost 电路一个完整的开关周期可以分成两个阶段。

3.1 MOS 管导通阶段

当 MOS 管导通时，电流路径为：

Vin → 电感L → MOS管Q → GND

此时二极管处于反向截止状态，输入电源主要给电感充电。

电感两端电压近似为：

VL = Vin

根据电感基本关系：

VL = L × di/dt

因此电感电流上升斜率为：

di/dt = Vin / L

在 MOS 管导通期间，输出端与输入侧暂时断开，负载主要由输出电容供电。

因此，如果输出电容过小，MOS 管导通期间输出电压会明显下降，输出纹波也会变大。

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3.2 MOS 管关断阶段

当 MOS 管关断时，电感电流不能突然变为零。

为了维持原来的电流方向，电感两端电压会反向，电流通过二极管流向输出端。

电流路径为：

Vin → 电感L → 二极管D → 输出电容和负载

此时输出端得到的能量来自两部分：

• 输入电源

• 电感释放的能量

因此输出电压可以高于输入电压。

关断期间，电感两端电压近似为：

VL = Vin - Vo

因为 Vo 大于 Vin，所以：

Vin - Vo < 0

电感电流开始下降。

下降斜率为：

di/dt = (Vin - Vo) / L

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四、Boost 为什么能够升压

在稳态工作时，电感一个周期内的平均电压必须为零，这就是电感的伏秒平衡。

假设：

D = 占空比
Ts = 一个开关周期

MOS 管导通时间为：

Ton = D × Ts

MOS 管关断时间为：

Toff = (1 - D) × Ts

根据伏秒平衡：

Vin × D × Ts + (Vin - Vo) × (1 - D) × Ts = 0

化简后可得：

Vo = Vin / (1 - D)

因此，占空比公式为：

D = 1 - Vin / Vo

例如：

Vin = 12V
D = 0.5

则理想输出电压为：

Vo = 12 / (1 - 0.5)
   = 24V

需要注意的是，这只是理想情况。

实际电路中还存在：

• MOS 管导通损耗

• 电感直流电阻损耗

• 二极管正向压降

• 开关损耗

• PCB 走线损耗

• 控制芯片自身损耗

所以实际输出电压和效率都会低于理想值。

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五、占空比是不是越大越好

从理想公式来看：

Vo = Vin / (1 - D)

占空比越大，输出电压越高。

但实际中，占空比不能无限增大。

当占空比接近 100% 时，会出现以下问题：

• MOS 管导通时间过长

• 电感电流快速上升

• 电感容易饱和

• MOS 管电流应力增大

• 输出端补充能量的时间变短

• 效率下降

• 控制环容易失稳

• 器件温升增大

所以实际 Boost 芯片都会限制最大占空比。

如果需要很高的升压比，不建议单纯靠增大占空比实现，可以考虑：

• 两级 Boost

• 耦合电感

• 反激变换器

• 推挽变换器

• 倍压电路

• 隔离型变换器

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六、Boost 的工作模式

Boost 电路主要有两种工作模式：

• 连续导通模式 CCM

• 断续导通模式 DCM

6.1 连续导通模式 CCM

CCM 是指一个开关周期内，电感电流始终大于零。

特点：

• 电感电流不会降到零

• 电流纹波相对较小

• 适合中大功率场合

• 输出能力较强

• 控制分析相对稳定

大多数正常负载下的 Boost 电路都会设计为 CCM。

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6.2 断续导通模式 DCM

DCM 是指电感电流在一个周期内下降到零，并保持一段时间。

常见于：

• 负载较轻

• 电感值较小

• 开关频率较低

• 输入电压较高

DCM 下，输出电压不再只由占空比决定，还与以下参数有关：

• 电感值

• 开关频率

• 负载大小

• 输入电压

因此，不能把 CCM 下的公式直接套到所有工作状态。

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七、Boost 电感参数怎么计算

电感是 Boost 电路中非常关键的器件。

在 MOS 管导通期间，电感电流纹波为：

ΔIL = Vin × D / (L × fs)

整理后，电感计算公式为：

L = Vin × D / (ΔIL × fs)

其中：

Vin：输入电压
D：占空比
fs：开关频率
ΔIL：电感纹波电流

电感纹波电流一般取平均输入电流的 20% 到 40%。

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八、Boost 电感计算实例

假设设计要求如下：

输入电压 Vin = 12V
输出电压 Vo = 24V
输出电流 Io = 1A
效率 η = 90%
开关频率 fs = 500kHz

第一步：计算输入平均电流

输入功率约等于输出功率除以效率：

Iin = Vo × Io / (Vin × η)

代入数据：

Iin = 24 × 1 / (12 × 0.9)
    ≈ 2.22A

第二步：计算占空比

D = 1 - Vin / Vo

代入：

D = 1 - 12 / 24
  = 0.5

第三步：确定电感纹波电流

假设纹波电流取平均输入电流的 30%：

ΔIL = 2.22 × 30%
    ≈ 0.67A

第四步：计算电感值

L = Vin × D / (ΔIL × fs)

代入：

L = 12 × 0.5 / (0.67 × 500000)
  ≈ 17.9μH

实际选型可以考虑：

18μH
20μH
22μH

最终还要结合芯片手册推荐值和实际纹波要求来确定。

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九、电感选型不能只看电感值

很多初学者选电感时只看“多少微亨”，这是不够的。

至少还要关注以下参数。

9.1 饱和电流

电感峰值电流为：

IL_peak = IL_avg + ΔIL / 2

代入前面的例子：

IL_peak = 2.22 + 0.67 / 2
        ≈ 2.56A

电感饱和电流必须高于这个数值，并留有一定余量。

建议不要卡着 2.56A 选择，实际可以选择饱和电流大于 3A 或更高的电感。

一旦电感饱和，电感量会快速下降，电流上升速度变快，MOS 管很容易过流损坏。

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9.2 额定电流

额定电流通常与电感温升有关。

即使电感没有饱和，如果长期电流过大，也会因为铜损导致温度过高。

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9.3 直流电阻 DCR

电感铜损近似为：

Pcu = IL_rms² × DCR

DCR 越大，电感发热越严重，效率也越低。

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9.4 屏蔽结构

非屏蔽电感磁场泄漏较明显，可能干扰：

• ADC

• 运放

• 晶振

• MCU

• 通信接口

• 反馈网络

如果系统对 EMI 或模拟精度要求较高，建议优先选择屏蔽功率电感。

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十、MOS 管怎么选

Boost 电路中的 MOS 管主要承受两类应力：

• 导通时承受电感电流

• 关断时承受接近输出电压的漏源电压

选型时需要关注：

• 漏源耐压 VDS

• 导通电阻 RDS(on)

• 栅极电荷 Qg

• 结电容

• 脉冲电流能力

• 封装散热

• 栅极驱动电压

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10.1 MOS 管耐压

MOS 管关断时，漏极电压接近输出电压。

考虑开关尖峰后，应满足：

MOS耐压 > 输出电压 + 尖峰电压

例如输出电压为 24V，不能简单选择 30V MOS。

实际可以考虑：

40V MOS
60V MOS

具体要根据实测尖峰决定。

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10.2 MOS 导通损耗

MOS 导通损耗近似为：

Pcond = Irms² × RDS(on) × D

RDS(on) 越小，导通损耗越低。

但不能只追求低导通电阻，因为有些低阻 MOS 的栅极电荷很大，会增加驱动损耗和开关损耗。

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10.3 MOS 开关损耗

MOS 开关损耗近似为：

Psw ≈ 0.5 × VDS × ID × (tr + tf) × fs

其中：

tr：上升时间
tf：下降时间
fs：开关频率

开关频率越高，开关损耗越大。

如果栅极驱动能力不足，MOS 开通和关断速度会变慢，MOS 长时间工作在线性区，发热会明显增加。

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10.4 栅极驱动问题

MOS 栅极本质上是一个电容。

驱动器需要快速给栅极充放电。

平均栅极驱动电流近似为：

Ig_avg = Qg × fs

栅极电阻不能过大，也不能过小。

栅极电阻过大：

• 开关速度慢

• MOS 发热

• 开关损耗增加

栅极电阻过小：

• 振铃变大

• EMI 增强

• 容易误导通

• 栅极尖峰明显

一般需要结合实测波形调整。

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十一、二极管怎么选

普通异步 Boost 电路需要一个续流二极管。

常用器件包括：

• 肖特基二极管

• 快恢复二极管

• 超快恢复二极管

需要关注以下参数：

• 反向耐压

• 平均正向电流

• 峰值电流

• 正向压降

• 反向恢复时间

• 结电容

• 封装散热

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11.1 二极管耐压

二极管反向耐压必须高于输出电压，并留有尖峰裕量。

例如输出 24V，可以考虑 40V 或 60V 的二极管。

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11.2 二极管电流

二极管平均电流与输出电流接近，但峰值电流接近电感峰值电流。

因此不能只看平均电流参数。

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11.3 二极管损耗

二极管损耗近似为：

PD = VF × ID

例如：

VF = 0.5V
ID = 2A

则损耗约为：

PD = 0.5 × 2
   = 1W

1W 的热量已经比较明显，所以二极管的封装和散热很重要。

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11.4 为什么有时要用同步 Boost

传统 Boost 使用二极管续流，也叫异步 Boost。

同步 Boost 使用 MOS 管代替二极管。

同步 Boost 的优点：

• 降低导通压降

• 减少二极管损耗

• 提高效率

• 适合低压大电流

缺点：

• 驱动更复杂

• 控制逻辑更复杂

• 需要防止上下管直通

• 成本更高

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十二、输出电容怎么计算

在 MOS 管导通期间，二极管截止，输出负载主要由输出电容供电。

输出电容近似计算公式为：

Co = Io × D / (ΔVo × fs)

其中：

Io：输出电流
D：占空比
ΔVo：允许输出纹波
fs：开关频率

例如：

Io = 1A
D = 0.5
ΔVo = 0.1V
fs = 500kHz

则：

Co = 1 × 0.5 / (0.1 × 500000)
   = 10μF

理论上 10μF 可以满足要求，但实际还需要考虑：

• 电容 ESR

• 直流偏压降容

• 纹波电流能力

• 温度特性

• 负载突变

• 控制环稳定性

所以实际一般会比理论值选得更大。

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十三、陶瓷电容的直流偏压问题

很多人看到电容标称 10μF，就认为它在任何工作电压下都有 10μF。

实际上不是这样。

高容值陶瓷电容在直流偏压下，实际容量可能明显下降。

例如：

标称值：10μF
额定电压：25V
实际工作电压：20V

此时实际容量可能只剩下几微法，具体要看厂家的 DC Bias 曲线。

所以高压输出端选陶瓷电容时，不能只看标称容量。

常见做法是：

• 多颗陶瓷电容并联

• 增加电解电容

• 增加固态电容

• 提高电容额定电压

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十四、ESR 对输出纹波的影响

输出纹波不只和容量有关，还和电容 ESR 有关。

ESR 引起的纹波近似为：

ΔVESR = ΔIC × ESR

因此，低 ESR 电容通常有利于降低输出纹波。

但有些芯片对输出电容 ESR 有稳定性要求，不能盲目选择极低 ESR。

最终应以芯片数据手册建议为准。

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十五、输入电容为什么不能忽略

Boost 的输入电流相对连续，但输入电容仍然很重要。

输入电容的作用包括：

• 降低输入电压纹波

• 给开关过程提供瞬态电流

• 减小高频电流环路

• 降低输入线上的 EMI

• 防止输入电源瞬间掉压

输入陶瓷电容应尽量靠近：

• 电感输入端

• MOS 管回流路径

• 芯片电源引脚

如果输入电源通过长导线接入，建议在板端增加：

• 电解电容

• 陶瓷电容

两种电容组合使用效果更好。

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十六、Boost 的 SW 开关节点

MOS 漏极、电感输出端和二极管阳极连接的节点通常叫 SW 节点。

SW 节点电压会在接近 0V 和接近输出电压之间高速切换。

这个节点具有很大的电压变化率：

dv/dt 很大

所以 SW 节点是 Boost 电路中最强的干扰源之一。

PCB 设计时要注意：

• SW 铜皮不要铺得太大

• 不要靠近反馈电阻

• 不要靠近 ADC 采样线

• 不要靠近晶振

• 不要从敏感信号下方经过

• 不要靠近运放输入

• 不要靠近通信接口

很多 Boost 电路原理图没问题，实际却纹波很大，往往就是 SW 节点布局不合理。

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十七、Boost PCB 布局重点

Boost PCB 设计的重点不是走线看起来整齐，而是高频电流回路面积要小。

17.1 缩小高频回路

MOS 关断时的主要高频回路为：

电感 → 二极管 → 输出电容 → 地 → MOS

这个回路面积越小，振铃和 EMI 通常越小。

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17.2 功率器件要靠近

以下器件应尽量紧凑摆放：

• MOS 管

• 二极管

• 输出电容

• 电感

• 驱动芯片

不要把这些器件分散在 PCB 的不同位置。

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17.3 反馈线远离开关节点

反馈电阻上端应从输出电容正端取样。

反馈走线建议：

• 走线短

• 远离 SW 节点

• 远离电感

• 远离栅极驱动线

• 不与高电流路径平行

• 不从功率器件下方穿过

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17.4 模拟地和功率地

反馈分压、补偿网络和基准地应接到较干净的模拟地。

大电流回流路径不要经过反馈地。

很多电源电压不稳定，并不是芯片参数有问题，而是地线处理不合理。

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17.5 散热设计

大电流区域建议使用：

• 大面积铜皮

• 多层并联

• 多个过孔

• 散热焊盘

• 较厚铜箔

MOS、二极管和电感附近应预留足够散热面积。

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十八、Boost 为什么容易出现振铃

Boost 的开关节点上存在寄生电感和寄生电容。

常见寄生参数来源包括：

• PCB 走线电感

• MOS 引脚电感

• 二极管结电容

• MOS 输出电容

• 电感寄生电容

• 封装寄生参数

MOS 开关瞬间，寄生电感和寄生电容会形成谐振，产生尖峰和振铃。

振铃可能导致：

• MOS 过压

• 二极管过压

• EMI 增大

• 示波器波形难看

• 器件发热

• 控制芯片误动作

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十九、振铃怎么处理

常见处理方法包括：

• 缩小功率回路面积

• 优化器件摆放

• 减小 SW 铜皮面积

• 合理调整栅极电阻

• 使用更快的二极管

• 增加 RC Snubber

• 增加 TVS

• 选择寄生参数更合适的 MOS

RC Snubber 可以接在：

• SW 节点对地

• MOS 两端

• 二极管两端

具体接法要结合振铃路径和实测波形判断。

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二十、Boost 启动时为什么容易过流

Boost 上电时，输出电容初始电压为零。

系统启动后，需要给输出电容充电，这会产生较大的启动电流。

如果没有软启动，可能出现：

• 输入电源掉压

• 电感电流过大

• MOS 管发热

• 芯片进入过流保护

• 输出电压过冲

• 系统反复重启

设计时要关注：

• 软启动时间

• 峰值电流限制

• 输出电容大小

• 负载是否同时启动

• 输入电源限流能力

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二十一、Boost 输出不能完全关断

这是很多人容易忽略的一点。

普通 Boost 电路中，即使 MOS 管完全关闭，输入电压仍然可能通过以下路径传到输出端：

Vin → 电感 → 二极管 → Vo

所以普通 Boost 并不是完全可关断结构。

如果要求关机后输出真正为 0V，可以考虑：

• 输入端增加 MOS 开关

• 输出端增加负载开关

• 使用背靠背 MOS

• 选择带输出断开功能的 Boost 芯片

这个问题在以下场景中比较重要：

• 电池供电设备

• 激光驱动

• LED 驱动

• 敏感模拟电路

• 需要彻底断电的系统

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二十二、Boost 的右半平面零点

Boost 在连续导通模式下存在右半平面零点。

这也是 Boost 比 Buck 更难调环路的原因之一。

当占空比突然增大时，MOS 导通时间变长，电感会储存更多能量。

但在短时间内，二极管导通时间反而变短，输出端得到的能量会先减少。

也就是说，控制器想让输出电压升高，但输出电压可能先短暂下降，再慢慢上升。

这种“先反向再正向”的动态特性，会限制电压环带宽。

因此：

• Boost 电压环不能调得过快

• 不能直接照搬 Buck 的补偿参数

• 环路带宽要留足裕量

• 需要参考芯片手册进行补偿设计

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二十三、Boost 调试步骤

第一次上电建议按照以下顺序进行。

23.1 上电前检查

检查：

• 输入是否短路

• 输出是否短路

• MOS 管方向是否正确

• 二极管方向是否正确

• 电感是否焊接正常

• 反馈电阻阻值是否正确

• 芯片引脚是否焊错

• 地线是否连接正常

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23.2 使用限流电源

不要一开始就用大功率适配器直接供电。

建议使用实验室电源，并设置较小限流值。

这样即使电路存在问题，也不容易立即烧毁器件。

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23.3 先空载测试

先不接负载，观察：

• 输出电压是否正常

• 输入电流是否异常

• MOS 栅极是否有驱动波形

• SW 节点是否正常开关

• 芯片是否发热

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23.4 逐步增加负载

从轻载开始，逐步增加负载。

记录：

• 输入电压

• 输入电流

• 输出电压

• 输出电流

• 转换效率

• MOS 温升

• 电感温升

• 二极管温升

• 输出纹波

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23.5 测量关键波形

建议重点观察：

• MOS 栅极波形

• SW 节点波形

• 输出纹波

• 启动波形

• 负载突变波形

• 电感电流波形

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二十四、示波器测量注意事项

测量开关电源波形时，探头接法很重要。

如果使用很长的鳄鱼夹地线，会形成较大的测量环路，拾取很多开关噪声。

这时看到的尖峰和振铃可能并不是真实值。

测输出纹波时建议：

• 使用探头地弹簧

• 探头直接跨接在输出电容两端

• 开启 20MHz 带宽限制

• 同时观察 AC 耦合和 DC 耦合

• 不要只依赖示波器自动测量

测 SW 节点时，要注意示波器地通常与保护地相连。

不能把普通探头地夹随便接到浮动节点，否则可能造成短路。

必要时使用差分探头。

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二十五、常见问题排查

25.1 输出电压升不上去

可能原因：

• 占空比不足

• 电感饱和

• 输入电源限流

• 负载过重

• MOS 驱动电压不足

• 二极管方向错误

• 反馈分压错误

• 芯片进入过流保护

• 芯片进入欠压保护

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25.2 MOS 管严重发热

可能原因：

• 导通电阻过大

• 栅极驱动能力不足

• 栅极电阻过大

• 开关频率过高

• 电感饱和

• 电流过大

• MOS 耐压不足

• SW 节点振铃严重

• PCB 散热不足

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25.3 二极管发热

可能原因：

• 正向压降过大

• 平均电流过大

• 反向恢复时间过长

• 封装散热不足

• 反向耐压裕量不足

• 结温过高

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25.4 电感发热

可能原因：

• 电感 DCR 太大

• 电感量过小

• 电感饱和

• 开关频率过高

• 磁芯损耗过大

• 额定电流不足

• 实际纹波电流过大

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25.5 输出纹波大

可能原因：

• 输出电容不足

• 电容 ESR 过大

• 陶瓷电容直流偏压降容

• 反馈线受干扰

• PCB 回路面积过大

• 控制环参数不合适

• 输入电源纹波较大

• 测量方法不正确

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25.6 输出电压不稳定

可能原因：

• 补偿网络不合理

• 反馈节点受 SW 干扰

• 输出电容不符合芯片要求

• 地线布局不合理

• 负载进入间歇工作模式

• 环路带宽设置过高

• 右半平面零点影响稳定性

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二十六、效率怎么估算

Boost 的主要损耗包括：

• MOS 导通损耗

• MOS 开关损耗

• 二极管损耗

• 电感铜损

• 电感磁芯损耗

• 控制芯片损耗

• 电容 ESR 损耗

• PCB 走线损耗

效率公式为：

η = Pout / Pin × 100%

其中：

Pin = Vin × Iin
Pout = Vo × Io

例如：

Vin = 12V
Iin = 2.2A
Vo = 24V
Io = 1A

则：

Pin = 12 × 2.2
    = 26.4W

Pout = 24 × 1
     = 24W

效率为：

η = 24 / 26.4 × 100%
  ≈ 90.9%

测试效率时，输入输出电压和电流最好使用较准确的仪表测量。

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二十七、设计 Boost 时容易忽略的细节

27.1 最低输入电压通常是最恶劣工况

输入电压越低，为了保持输出功率，输入电流越大。

因此最低输入电压下通常：

• 占空比最大

• 输入电流最大

• 电感电流应力最大

• MOS 发热更明显

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27.2 最高输入电压也要检查

最高输入电压下可能出现：

• 最小导通时间限制

• 控制分辨率下降

• 输出调节异常

• 芯片过压风险

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27.3 电感饱和标准并不统一

不同厂家对饱和电流的定义可能不同。

有的按电感量下降 10% 定义，有的按下降 20% 或 30% 定义。

选型时要查看数据手册，不要只比较参数表上的一个数字。

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27.4 高耐压 MOS 不一定更好

耐压越高的 MOS，通常导通电阻也越大，栅极电荷也可能更高。

耐压需要留裕量，但也不能盲目选择特别高的耐压。

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27.5 开关频率不是越高越好

提高开关频率可以减小：

• 电感体积

• 电容体积

• 输出纹波

但也会增加：

• MOS 开关损耗

• 栅极驱动损耗

• 磁芯损耗

• EMI

• PCB 布局难度

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二十八、异步 Boost 和同步 Boost 的选择

如果设计目标是：

• 功率较小

• 电流不大

• 成本敏感

• 电路简单

可以选择异步 Boost。

如果设计目标是：

• 低压大电流

• 高效率

• 低发热

• 电池供电

可以考虑同步 Boost。

实际选择要综合考虑：

• 成本

• 效率

• 功率

• 控制复杂度

• 散热

• PCB 面积

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