由于V_I及L 固定不變，電流上升的速率di / dt 為常數(shù)，所以，在開關(guān)管導(dǎo)通期間（t₁或t_on） ,電感電流是線性上升的，由初始值I_V向其峰值電流I_P增加，在開關(guān)管結(jié)束導(dǎo)通時，電流達(dá)到其峰值I_P.即在導(dǎo)通的持續(xù)期間Δt = t₁ = t_on內(nèi)，電流的增量為Δi = I_P - I_V,Δt = t_on,所以：

　　或：

　　在開關(guān)管導(dǎo)通期間，由于電感電流線性上升，電感中儲存的能量J = L × iL² /2 也增加。VT 導(dǎo)通時間愈長，電感所儲存的能量也愈多，輸出電壓也越高。

　　在開關(guān)管導(dǎo)通期間，二極管因受電容C 上電壓的反偏而截止，負(fù)載即電路所驅(qū)動的LED 由輸出電容C供電，依靠電容的放電電流使之發(fā)光。

　?。?） 當(dāng)電流上升到某一峰值I_P時，控制器控制開關(guān)管VT 使之截止，此后電感電流由其峰值IP經(jīng)二極管線性下降。由于L 有維持其電流不變的能力，在電感上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢的符號為左負(fù)右正，它與輸入電壓相疊加，對輸出電容C 充電，所以電容電壓即輸出電壓將超過輸入電壓，從而提升了輸出電壓。

　　開關(guān)管VT 截止、二極管VD 導(dǎo)通的持續(xù)時間為t₂ = t_off,在此期間，電流線性下降，并滿足以下關(guān)系式V_I + Ldi / dt = V_O或LΔi /Δt = V_O - V_I,將Δi = I_P - I_V,Δt = t₂ = t_off代入，則有：

　　由式（2） 及式（3） 消去（ I_P - I_V） ,可得：

　　考慮到t₁ + t₂ = t_on + t_off = T 為一個開關(guān)周期，并令其占空比為D = t_on /T = t₁ /T,則根據(jù)式（3 ）、（4 ）（5） 可得：

　　以G = V_O /V_I表示輸出電壓的增益，可得G = V_O /V_I = 1 / （1 - D）。

　　根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

　?。?） 由式（6） 可知，輸出電壓高于輸入電壓，且與占空比D 有關(guān)，與D 呈非線性關(guān)系。增加占空比D,使開關(guān)管導(dǎo)通時間t1加長，則電感中儲存的能量增多，顯然，在輸入電壓不變時，輸出電壓V_O提升的愈高。

　　通過對占空比D 的調(diào)節(jié)，可以在輸入電壓變化時，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，保持V_O不變。

　?。?） 由圖2 可知，與負(fù)載串聯(lián)的二極管的電流是脈動的、不連續(xù)的。流過LED 的輸出電流的直流分量等于二極管VD 電流的平均值。為了供給LED 連續(xù)而穩(wěn)定的電流，在這種電路中，必須在輸出端加輸出電容C。

　　（3） 輸入端的電流等于流過電感的電流，在連續(xù)導(dǎo)通模式下，電流是連續(xù)的，所引起的電磁干擾要比電子鎮(zhèn)流器中臨界導(dǎo)通模式有源功率因數(shù)校正電路的電磁干擾低，也比以后將要介紹的降壓變換器電路的電磁干擾低。在降壓變換器中，輸入電流是脈動的、不連續(xù)的，所產(chǎn)生的電磁干擾要大得多。

　　圖2（a） 是連續(xù)導(dǎo)通模式（ CCM） ,（ b） 則是斷續(xù)導(dǎo)通模式（ DCM）。t1是開關(guān)管導(dǎo)通時間，t₂是二極管導(dǎo)通時間。不論哪種情況，與負(fù)載串聯(lián)的、流過二極管的電流都是脈動的、不連續(xù)的，都必須加濾波電容加以平滑。

　　斷續(xù)導(dǎo)通模式（ DCM） 大多出現(xiàn)在電感較小，負(fù)載較重，或者開關(guān)頻率較低的情況，此時，t₁ + t₂ < T（ 開關(guān)周期）。可以證明，如D₁ = t₁ /T,D₂ = t₂ /T,則有：

　　在斷續(xù)導(dǎo)通模式中，電壓的提升不僅與功率開關(guān)管的開通時間t₁有關(guān)，還與電感的大小、負(fù)載電流（ LED 電流） 大小以及開關(guān)頻率有關(guān)。

　　在具體的IC 電路中，為簡化控制，或者保持開關(guān)管的開關(guān)頻率（ 或開關(guān)周期T） 約為1MHz 左右的定值，或者保持其關(guān)斷時間t_off為定值，視具體控制電路而定。例如，安森美（ On-semi ） 半導(dǎo)體公司的NCP5007 保持t_off = 320ns;Catalyst 半導(dǎo)體公司（ 該公司已被安森美半導(dǎo)體公司收購） 的CAT37 則保持開關(guān)頻率為1. 2MHz.至于開關(guān)頻率大小的選擇，要從多方面考慮。提高頻率，可以允許采用較小尺寸的電感和濾波電容，但這樣做之后，電路的損耗變大、效率降低；反過來，降低頻率，可以提高電路的占空比以及輸出電壓，允許驅(qū)動較多的LED 個數(shù)。所以頻率的選擇要折中考慮，不可片面追求某一個參數(shù)。

　　1. 3 電感L 的選擇

　　在電感升壓型變換器中，由式（2） 可知，當(dāng)VT 導(dǎo)通時有：LΔI_L / t_on = V_I,由此可得：

　　上式中占空比可按公式D = （ V_O + V_D - V_I） / （ V_O+ V_D） 選擇，式中V0為開關(guān)二極管串（ 可能為1 個LED 或數(shù)個LED） 的導(dǎo)通壓降；V_D為開管二極管的導(dǎo)通壓降，一般為0. 3V,其值較小，有時可略去不計(jì)；紋波電流峰- 峰值ΔIL則根據(jù)輸出電流來設(shè)定，一般取ΔI_L為輸出直流電流I_O的± （20 ~ 30）%.

　　1. 4 電感升壓型變換器的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

　　1. 4. 1 電感升壓式變換器的優(yōu)點(diǎn)

　?。?） 效率高，可達(dá)到80% ~ 85% ,比開關(guān)電容升壓式變換器高15% 左右。

　　（2） 由于輸出電壓高，一般可以恒流驅(qū)動串聯(lián)的LED 串，保持其亮度一致。LED 可以是一串，或者是先串后并的幾串，根據(jù)其輸出功率的大小、LED 的電流，確定所能驅(qū)動的LED 總數(shù)。例如美信公司的MAX1848 最多可以驅(qū)動39 只LED。

　　（3）能在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)保持輸出電流穩(wěn)定，并做到與LED 要求的電流相匹配。

　　（4） 一般電路還具有調(diào)光功能（ 調(diào)節(jié)LED 電流）以及一些保護(hù)功能如LED 開路保護(hù)、短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)等，視具體芯片型號而定。

　　1. 4. 2 電感升壓式變換器的缺點(diǎn)

　?。?） 在電感升壓變換器中需要采用電感升壓，一般電感的體積較大，在整個PCB 板中占較大的比例，價格也比阻容元件貴得多。為了降低電感的尺寸，一般都選用較高的開關(guān)頻率，約在1MHz 附近。這對電感所用的鐵氧體磁芯的要求較高，并要根據(jù)流過電感的電流選擇合適的磁芯尺寸，以盡量減少它的渦流損耗和磁滯損耗，降低電感的發(fā)熱量。目前已有專門的供應(yīng)商生產(chǎn)電感量一定、允許通過一定電流的電感。[!--empirenews.page--]

　　一般電感的尺寸和厚度均較大，對整個變換器的尺寸和高度來說，電感的尺寸（ 例如4. 1 × 4. 1 × 1. 8mm³ ）占較大的份額，起決定性的作用。

　　（2） 電感升壓式變換器所驅(qū)動的二極管串中的LED 個數(shù)受最高輸出電壓的限制，如輸出電壓為40V,串接的白光LED 個數(shù)不超過13 個左右。輸出電流則受輸出功率的限制，在大電流下要考慮PCB銅皮導(dǎo)線的寬度，以免因其電流密度過大而燒毀銅皮導(dǎo)線。

　　（3） 流過電感輸入端的電流是一些重復(fù)頻率很高的三角波，像有源功率因數(shù)校正電路一樣會產(chǎn)生比較高的電磁干擾（EMI）。在連續(xù)導(dǎo)通模式，輸入電流起伏較小，干擾較輕；在斷續(xù)導(dǎo)通模式，輸入電流起伏較大，干擾較重。為滿足對驅(qū)動電路的電磁兼容要求，在電路的輸入端需要加抗電磁干擾的濾波電路。

　　有時，為了防止電磁輻射，電感還要加磁屏蔽。不過在這類電路中，電流三角波的頻率是固定的，尤其在連續(xù)導(dǎo)通模式，電流是連續(xù)的，起伏較小，且電路的功率較低，所以它所造成的電磁輻射干擾及傳導(dǎo)干擾要比電子鎮(zhèn)流器的有源功率因數(shù)校正電路輕得多。

　　2 電感升壓型變換器芯片舉例

　　2. 1 NCP5007 芯片

　　電感升壓型變換器芯片NCP5007 是安森美（ On- semi） 半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，采用TSOP-5（ SOT23-5、SCR59-5） 封裝，共有5 條引腳。所有引腳都加了防靜電的保護(hù)二極管（ESD） ,以免引腳受靜電干擾而擊穿。

　　該芯片的主要用途是驅(qū)動白光二極管串，作為小屏幕LCD 的背光照明用，例如手機(jī)的顯示背光照明。

　　但不具備閃光燈的功能（ 要用電流為350mA、功率為1W 的白光LED 做閃光燈）。

　2. 1. 1 NCP5007 的特點(diǎn)

　　NCP5007 有以下特點(diǎn)：輸入直流電壓范圍為2. 7~ 5. 5V,輸出電壓可達(dá)22V,允許驅(qū)動5 個串聯(lián)的LED;可以調(diào)整輸出電流的大小、使之與LED 的要求相匹配，并保持此電流恒定；在輸入電源電壓變化的情況下，實(shí)現(xiàn)LED 亮度的自動調(diào)整；IC 內(nèi)部有過電壓保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)；可通過加到FB 腳的模擬電壓或PWM 信號調(diào)節(jié)流過LED 的電流、對LED 進(jìn)行調(diào)光；IC 靜態(tài)的待機(jī)電流很低，只有0. 3μA,這可以減少手機(jī)電池的功率消耗，延長電池的使用壽命。

　　2. 1. 2 NCP5007 的引腳功能

　　NCP5007 共有5 條引腳，其排列如圖3 所示。

圖3 NCP5007 的引腳排列

　　各引腳功能如下：

　?。?）1 腳FB

　　1 腳為反饋信號輸入端。反饋輸入為模擬信號，輸出到LED 的電流可以通過連到此腳的檢測電阻加以檢測，檢測電阻的電壓送到IC 內(nèi)部，能自動地使LED 電流得到調(diào)整。輸入此腳的可以是模擬信號，也可以是脈寬調(diào)制（ PWM） 脈沖信號。改變該腳的電阻或送到此腳的外加電壓信號，可以改變LED 的電流，從而調(diào)整其亮度（ 調(diào)光）。

　　連到此腳的檢測電阻如采用誤差為± 5% 或精度更高的精密電阻，可以準(zhǔn)確控制LED 的電流（ 亮度）。

　　如輸入此腳與地之間的電壓超過700mV,IC 內(nèi)部的比較器將自動關(guān)斷NCP5007,使之停止工作。

　　（2）2 腳GND

　　2 腳是電源及模擬信號的地。必須保證良好接地，避免受火花影響造成誤動作，PCB 的走線要足夠?qū)?，免得電流密度過大，將地線燒斷。

　?。?）3 腳EN

　　3 腳是數(shù)字信號輸入端。當(dāng)輸入一個高電平的邏輯信號時，NCP5007 開始工作。由于內(nèi)部接了一個下拉電阻，所以當(dāng)此腳懸空時，IC 不工作；正常工作時，EN 必須為高電平，可以直接和電池電源相連。

　　輸入的邏輯高電平應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)的1. 8V 或CMOS 邏輯高電平。在此腳加脈寬調(diào)制信號，也可以調(diào)整LED的亮度。

　?。?）4 腳V_O

　　4 腳是功率輸出端，即變換器的直流電壓輸出端。此腳與升壓電感L 和肖特基二極管相連，是一個提升了的直流電壓。變換器工作于恒流輸出，但其輸出電壓最高不能超過22V,一旦輸出電壓超過過電壓（OVP） 閾值，IC 將進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。要重新啟動它，可以在EN 腳加一個由低到高的邏輯信號，或關(guān)斷電池電壓后再重新接通。

　　此腳應(yīng)用大電容旁路到地，以免過壓保護(hù)（OVP） 誤動作。電容值在1. 0 ~ 8. 2μF 之間，且應(yīng)當(dāng)用等效串聯(lián)電阻（ ESR） 小的陶瓷電容器，其ESR< 100mΩ。

　　（5）5 腳V_bat

　　5 腳為電池電源輸入端。外接電池的正極接此腳，此腳應(yīng)當(dāng)用高品質(zhì)的電容旁路到地，可用4. 7μF /6. 3V、ESR 低的電容器，建議用X5R 或X7R 的陶瓷電容，連接電容器時盡量讓它靠近2、5 腳。

　　升壓電感L 應(yīng)按式（8） 來選擇，由設(shè)計(jì)者根據(jù)需要自行設(shè)定ΔIL值，它可以為IO的± （20 ~ 30 ）%.

　　電感L 的一端與5 腳Vbat相連，另一端則與開關(guān)二極管相接。在此電路中，電感L 的典型值為22μH.如輸出電流超過20mA,電感的直流電阻最好低于0. 15Ω，以免使電源轉(zhuǎn)換效率降低。采用較大的電感可以使輸出電流更穩(wěn)定些、紋波更小一些。為了減小電感的尺寸，一般開關(guān)頻率都比較高，在1MHz 左右。

　　電感L 應(yīng)采用高頻鐵氧體磁芯，和開關(guān)頻率相適應(yīng)。

　　磁芯尺寸要能承受一定的額定電流，以免工作時飽和，損耗太大，降低電源轉(zhuǎn)換效率。

　　電感雖然是非標(biāo)件，但在升壓變換器中使用的電感值大多是固定的，目前已有專門的供應(yīng)商提供各類規(guī)格的電感。

　　2. 1. 3 用NCP5007 組成的驅(qū)動LED 的電路

　　圖4 是用NCP5007 組成的驅(qū)動LED 的電路，外接元件很少。為了減少損耗，升壓二極管VD1采用肖特基二極管（ 例如MBR0530） ,它的導(dǎo)通壓降較小，可以提高整個電路的效率，并具有開關(guān)電路所需要的快速恢復(fù)的特點(diǎn)。開關(guān)二極管只在開關(guān)管截止時導(dǎo)通，所承受的最大反峰電壓等于輸出電壓，平均電流等于正常工作時的輸出電流。在一般此類電路中，電流額定值為1A、反向電壓為20V、30V、40V 的肖特基二極管都可應(yīng)用。如Zetex 公司的ZLLS400、ZLLS1000、ZHCS400、ZHCS1000,其反峰電壓為40V,平均電流為0. 4A、1A.有的IC 為簡化外接電路，將開關(guān)二極管VD1也集成在IC 中，使外接元件數(shù)量更少。

　　圖4 中，發(fā)光二極管采用串聯(lián)連接、恒流驅(qū)動，保持LED 發(fā)光亮度一致。R2為LED 電流檢測電阻，改變其阻值，可控制流過二極管的電流和亮度，使輸出電流與LED 要求的電流相匹配。在驅(qū)動10mA 的LED 做背光照明應(yīng)用時，可采用電容C1 = 4. 7μF、C3= 1μF,電感L = 22μH,VD1為MBR0530,R2 = 22Ω（ LED 電流為9mA）。

圖4 由NCP5007 驅(qū)動LED 的電路

　　圖4 電路的工作情形和圖1 的說明完全一樣，各點(diǎn)的電流波形和圖2 所示也一致。在t₁（t_on） 期間，內(nèi)部MOS 管導(dǎo)通，電流從其初始值I_V線性上升，其最大峰值I_P為350mA.此時電感儲存的能量隨電流的增大而增加。在t₂（ t_off） 期間，MOS 管截止，電感電流由其峰值線性下降，電感的感應(yīng)電動勢和電池電壓相加對電容C₃充電，使輸出電壓高于輸入電壓。在t₂結(jié)束時，電感電流下降到其谷值I_V。

　　在芯片NCP5007 中，并沒有一個固定的時鐘頻率，只是讓VT 的截止時間（t_off） 保持不變，其典型值為320ns.設(shè)要求輸出電壓V_O為22V,電池電壓V_bat= V_I的典型值3V,電感為22μH,則根據(jù)前面推導(dǎo)的公式（4） 有t₂ = t_off = （ I_P - I_V） L / （ V_O - V_I） ,或ΔI = I_P- I_V = t_off（ V_O - V_I） / L,代入具體數(shù)值，得ΔI = I_P - I_V= 320 × 10 ^{- 9} × （22 - 3 ） /22 × 10 ^{- 6} = 276 （ mA）。根據(jù)此最大電流值，可以選擇電感磁芯的尺寸。

　　已知VT 的截止時間（ t_off） ,由式（2）、（4） 消去I_P- I_V,可得t₁、t₂之間關(guān)系如式（9）：

　　從而可求出VT 的導(dǎo)通時間t1,代入具體數(shù)值，得：

　　t₁ = t_on = （22 - 3） × 320 × 10 ^-9 /3 = 2. 02（μs）

　　最后計(jì)算出開關(guān)頻率為：

f = 1 / （ t₁ + t₂） = 1 / [（2. 02 + 0. 320） × 10 ^-6]= 427（ kHz）

　　2. 1. 4 NCP5007 對LED 電流的調(diào)整

　　流過LED 的電流由圖4 中的電阻R₂調(diào)整。反饋腳FB 在IC 內(nèi)部與誤差放大器的反相端相接（ 見圖4 虛線內(nèi)部框圖） ,它的同相端接基準(zhǔn)電壓Vref =0. 2V（ 為了減少損耗，一般基準(zhǔn)電壓都比較低，使R2上的壓降也低，有的IC 基準(zhǔn)電壓更低，只有0. 095V）。根據(jù)虛地原理，V_R2 = V_ref = 0. 2V,從而可得：

　　改變電阻R2值，可以改變LED 的電流。不難算出：

　　當(dāng)R₂ = 40Ω、20Ω、13. 3Ω、10Ω 時，LED 的電流ILED分別為5mA、10mA、15mA、20mA.

　　由于誤差放大器的控制，即便電池電壓發(fā)生變化，流過LED 的電流也能保持恒定不變，滿足電流匹配的要求。

　　2. 1. 5 NCP5007 實(shí)現(xiàn)調(diào)光的方法

　　對LED 的調(diào)光，還可以通過給NCP5007 的FB腳加直流電壓、經(jīng)R、C 濾波后的PWM 信號或邏輯信號來實(shí)現(xiàn)，其具體電路如圖5 所示。

圖5 NCP5007 的三種調(diào)光方式

　?。?） 在FB 引腳加可變的直流電壓V_DC,隨V_DC的增加，R2上的電壓減少，LED 的電流下降，亮度降低。

　　這種調(diào)光改變了LED 的電流，而LED 在不同的電流下發(fā)出光的顏色是不同的，因此這種調(diào)光方法可能會引起色偏。

　　（2） 將PWM 信號用RC 濾波后加到FB 腳，PWM信號的頻率為5 ~ 40kHz,利用PWM 的電壓信號使LED 導(dǎo)通和關(guān)斷，LED 電流在零和額定電流之間切換。它不改變LED 的電流幅值，而只改變電流脈沖的寬度，即改變其占空比，以調(diào)節(jié)電流的平均值來調(diào)光。只要PWM 調(diào)光的頻率足夠高，人眼沒有閃爍感覺就可以了，它能夠避免出現(xiàn)色偏的缺點(diǎn)，其調(diào)光范圍大于20∶ 1.

　?。?） 將邏輯信號加于MOS 管的柵極，當(dāng)MOS 管導(dǎo)通時，由電阻R1確定LED 電流，當(dāng)管子截止時，由R2確定原來的LED 電流，維持原來的電流不變。

　　以上這幾種調(diào)光方法在其它的IC 電路中也有采用。它的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單。直流電壓調(diào)光是通過調(diào)整流過LED 的電流大小來調(diào)節(jié)亮度的，在調(diào)節(jié)電流后，LED 不能始終在最佳的效率點(diǎn)工作； 而且，LED在不同的電流下發(fā)出光的顏色也會不同，所以調(diào)光后會出現(xiàn)色偏（ 通過改變電流以特意改變LED 的顏色的情況除外） 現(xiàn)象，這是它的缺點(diǎn)，顯然不及用較高頻率的PWM 調(diào)光好。

　（ 未完待續(xù)）