升压电路
文章来源于实际项目中的一个产品开发，产品电路板上有一个电源管理芯片zs6366a，通过这个电源管理芯片来控制可充电电池的充放电，并提供对电源的各种保护。对电池的充电是通过电感来实现DC-DC的同步升压，之前时间紧一直没有研究清楚，现在将详细的分析过程记录下来，准备分为几个部分来讲解：1、电感式DC-DC升压原理
2、zs6366a典型应用电路详解
3、zs6366a在实际产品中的应用
4、NPN、PNP组合电路在实际电路中的作用
一、电感式DC-DC升压原理：这部分内容主要来自于网络，是基本原理介绍，只有理解了电路的基本原理才能理解电路在实际中的使用，网络上讲解原理的文章很多，主要是要找到能让自己能够理解的文章。
什么是电感型升压DC/DC转换器？如图1所示为简化的电感型DC-DC转换器电路，闭合开关会引起通过电感的电流增加。打开开关会促使电流通过二极管流向输出电容。因储存来自电感的电流，多个开关周期以后输出电容的电压升高，结果输出电压高于输入电压。
决定电感型升压的DC-DC转换器输出电压的因素是什么？在图2所示的实际电路中，带集成功率MOSFET的IC代替了机械开关，MOSFET的开、关由脉宽调制(PWM)电路控制。输出电压始终由PWM占空比决定，占空比为50%时，输出电压为输入电压的两倍。将电压提高一倍会使输入电流大小达到输出电流的两倍，对实际的有损耗电路，输入电流还要稍高。
电感值如何影响电感型升压转换器的性能？因为电感值影响输入和输出纹波电压和电流，所以电感的选择是感性电压转换器设计的关键。等效串联电阻值低的电感，其功率转换效率最佳。要对电感饱和电流额定值进行选择，使其大于电路的稳态电感电流峰值。
电感型升压转换器IC电路输出二极管选择的原则是什么？ 升压转换器要选快速肖特基整流二极管。与普通二极管相比，肖特基二极管正向压降小，使其功耗低并且效率高。肖特基二极管平均电流额定值应大于电路最大输出电压。
怎样选择电感型升压转换器IC电路的输入电容？升压调节器的输入为三角形电压波形，因此要求输入电容必须减小输入纹波和噪声。纹波的幅度与输入电容值的大小成反比，也就是说，电容容量越大，纹波越小。如果转换器负载变化很小，并且输出电流小，使用小容量输入电容也很安全。如果转换器输入与源输出相差很小，也可选小体积电容。如果要求电路对输入电压源纹波干扰很小，就可能需要大容量电容，并(或)减小等效串联电阻(ESR)。
在电感型升压转换器IC电路中，选择输出电容时要考虑哪些因素？输出电容的选择决定于输出电压纹波。在大多数场合，要使用低ESR电容，如陶瓷和聚合物电解电容。如果使用高ESR电容，就需要仔细查看转换器频率补偿，并且在输出电路端可能需要加一额外电容。
进行电感型升压转换器IC电路布局时需要考虑哪些因素？首先，输入电容应尽可能靠近IC，这样可以减小影响IC输入电压纹波的铜迹线电阻。其次，将输出电容置于IC附近。连接输出电容的铜迹线长会影响输出电压纹波。第三点是，尽量减小连接电感和输出二极管的迹线长度，减小功耗并提高效率。最后一点是，输出反馈电阻远离电感可以将噪声影响降至最小。
电感型升压转换器应用在哪些场合？电感型升压转换器的一个主要应用领域是为白光LED供电，该白光LED能为电池供电系统的液晶显示(LCD)面板提供背光。在需要提升电压的通用直流-直流电压稳压器中也可使用。
要了解电感式升压/降压的原理(我今天只讲升压)，首先必须要了解电感的一些特性:电磁转换与磁储能。其它所有参数都是由这两个特性引出来的。先看看下面的图:
一个电池对一个线圈通电，这是个电磁铁。不论你是否科盲，你一定会奇怪，这有什么值得分析的呢？有！我们要分析它通电和断电的瞬间发生了什么。线圈(以后叫作"电感"了)有一个特性---电磁转换，电可以变成磁，磁也可以变回电。当通电瞬间，电会变为磁并以磁的形式储存在电感内。而断电瞬磁会变成电，从电感中释放出来。现在我们看看下图，断电瞬间发生了什么：
前面我说过了，电感内的磁能会在电感断电时重新变回电，然而问题来了:此时回路已经断开，电流无处可去，磁如何能转换成电流呢？很简单，电感两端会出现高压!电压有多高呢？无穷高，直到击穿任何阻挡电流前进的介质为止。 这里我们了解了电感的第二个特性----升压特性。当回路断开时，电感内的能量会以无穷高电压的形式变换回电，电压能升多高，仅取决于介质变的击穿电压。
现在可以小结一下了:
下面是正压发生器，你不停地扳动开关，从输入处可以得到无穷高的正电压。电压到底升到多高，取决于你在二极管的另一端接了什么东西让电流有处可去。如果什么也不接，电流就无处可去，于是电压会升到足够高，将开关击穿，能量以热的形式消耗掉。
下面是负压发生器，你不停地扳动开关，从输入处可以得到无穷高的负电压。 上面说的都是理论，现在来点实际的电子线路图，看看正/负压发生器的"最小系统"到底什么样子：
你可以很清楚看到演变，电路中仅仅把开关换成了三极管换而已。 不要小看这两个图，事实上，所以开关电源都是由这两个图组合变换而来，所以掌握这两个图非常重要。 最后要提提磁饱合的问题。什么是磁饱合？ 从上面的背景知道我们可以知道电感能储存能量，将能量以磁场方式保存，但能存多少呢？存满之后会发生什么情况呢？
1。存多少: "最大磁通量"这个参数就是干这个用的，很显然，电感不能无限保存能量，它存储能量的数量由电压与时间的乘积决定，对于每个电感来说，这是一个常数，根据这个常数你可以算出一个电感要提供N伏M安供电时必须工作于多高的频率下。
2。存满之后会如何: 这就是磁饱合的问题。饱合之后，电感失去一切电感应有的特性，变成一纯电阻，并以热的形式消耗掉能量。
DC/DC 转换器按调整管与负载的连接方式可分为串联型、并联型：在串联型 DC/DC 转换器里，开关管与负载串联，输出电压总是小于输入电压，故又被称为降压型 DC/DC 转换器（ Buck Converter）；在并联型 DC/DC 转换器里，开关管与负载并联，输出电压大于输入电压，故又被称之为升压型 DC/DC 转换器（ Boost Converter）。
降压式DC/DC变换器的输出电流较大，多为数百毫安至几安，因此适用于输出电流较大的场合。降压式DC/DC变换器基本工作原理电路如图所示。VT1为开关管，当VT1导通时，输入电压Vi通过电感L1向负载RL供电，与此同时也向电容C2充电。在这个过程中，电容C2及电感L1中储存能量。当VT1截止时，由储存在电感L1中的能量继续向 RL供电，当输出电压要下降时，电容C2中的能量也向RL放电，维持输出电压不变。二极管VD1为续流二极管，以便构成电路回路。输出的电压Vo经R1和 R2组成的分压器分压，把输出电压的信号反馈至控制电路，由控制电路来控制开关管的导通及截止时间，使输出电压保持不变。
升压式DC-DC变换器在正常工作的前提下，该种转换器的工作电路主要由升压电路及电压调节电路两大部分组成。该种升压DC-DC转换器的升压电路图如图1（a）所示。由图可知，该种升压电路由输出方波（脉冲）的振荡器、开关管vT、储能元件电感器L、单向导通二极管VD及储能元件电容器C组成。由于开关管工作于开关状态，可用开关s来表示，如图1（b）所示。
在转换器正常运行的状态下，当振荡器输出脉冲高电平时，开关管vT导通，相当于开关闭合，其发生过程如图2所示。此时，输入电压VI经电感器L及开关s到地形成电感电流iL，其运行过程如图3所示。到开关管关闭时，电感器电流到最大值PK， 电感器储存了能量。在开关管上有极小的导通电阻RDS（on），所以开关管上有一个小的管压降Von（sw）。
当该系统中的振荡器输出脉冲低电平时，开关管vT将会截止，相当于开关断开。输入电压VIN叠加上储能元件电感器上的感应电压VL（右正左负），经二极管VD向储能元件电容器C充电（充电电流iC），电感器中的能量释放，如图4所示。由于振荡器频率较高一般几十千赫至上百千赫，所以经过一定时间，电容器上的电压VC=VIN+VL-VF。式中VF为二极管的正向压降。电感器上产生的感应电压VL一般可达几十伏，所以VC上的电压往往可达几十伏，VIN一般仅1.5-3V。这就是升压电路的基本工作原理。在图3中我们可以看到，开关管上的最高电压等于VL+VIN。这里二极管VD主要起到一个堵塞作用，防止开关管导通时，充了电的电容器通过开关管对地放电。从图3可看出电感器的峰值电流IPK要比供负载的平均电流大得多，一般为IOUT的2-3倍。
在了解了升压式DC-DC变换器的升压电路后，接下来我们再来看一下其电压调节电路的运行工作原理。从图1所给出的电路中可知，该电路在正常运行时并不稳压，如加上负载后，电压VOUT会下降，并且其输出电压受振荡器的工作频率及电感器L大小的影响，输出电压VOUT变化较大。为达到输出电压稳定，增加电压调节电路是必不可少的，增加稳压电路后的转换器电路系统如图5所示。它由检测输出电压的电阻分压器（R1、R2）、基准电压Vref、误差放大器、脉冲宽度调制电路组成。
在增加了这一稳压电路后，此时升压式DC-DC变换器中的输出电压与分压器电阻的关系式为（I+R1/R2）Vref。此时，在电压调节电路中若负载电流IOUT增加使VOUT下降，则通过反馈改变脉冲宽度来使输出电压基本不变。其过程是IOUT↑→VOUT↓→A点电压↓→误差放大器输出电压↑→振荡器输出脉冲宽度↑→VOUT↑。此时变换器的脉冲宽度增加与可输出电流的关系如图6所示。从图中我们可以看到，当脉冲宽度增加后，开关管导通时间增加，电感器的峰值电流增加，其平均负载电流也相应增加。
二、zs6366典型应用电路详解
ZS6366/A 是一款应用于移动电源，集成了锂电池开关充电管理，DC-DC同步升压恒流恒功率，电池电量显示，按键控制及锂电保护为一体的便携式电源管理IC。一般的IC使用都有推荐电路，通常情况下我们是要先完全理解推荐电路才能在实际项目中使用，而且也会在推荐电路的基础上做一些自己的修改，所以要完全的理解推荐电路是非常重要的。
首先来看输入电源，通过USB接口将外部电源输入到IC芯片的VIN引脚，在检测到有外部电源输入后芯片就会在系统电源引脚SYS上输出我们需要的电压，输出电压计算公式VOUT=(RFB1/RFB2+1)*1.2V；由芯片的系统框图可知输出电压通过反馈引脚BSTFB反馈回芯片内部的控制电路，控制电路在同步控制引脚PGATE和NGATE上输出PWM脉冲，这个PWM脉冲控制U2 MOS开关，通过电感L1来实现升压，这就是上面说的理论通过电感实现DC-DC升压在实际中的应用。
Q1是P沟道MOS管，在Vgs为负电压的时候电流由S流向D，工作在直流条件下，因此只需考虑导通电阻足够小即可，这里的Q1作用是防止SYS电源倒灌VIN，可以测量出REVCTR引脚的输出电压跟SYS输出电压的差总是小于Q1的导通电压的；SYS电压倒灌VIN可能导致VIN外接的电源损坏，关于电源倒灌的原理和可能的危害在后面做个说明。
ZS6366/A 具有同步升压功能，可将单节锂电池 2.9V 到 4.2V 之间的电压升压到 5V 输出，给负载供电。电池电压低于 2.9V 时，芯片系统将判断为电池电量不足，停止升压。当 VIN 电压低于 3.3V 时，系统将判断为电源适配器掉电，并启动升压电路。U2集成了一个N沟道MOS管和P沟道MOS管，PGATE引脚产生PWM脉冲用于控制充电和升压，NGATE引脚用于控制升压；在没有外部电源输入或者外部电源输入过低的时候会进行升压，PGATE引脚为高电平，PGATE跟SYS的电压差是U2的Vgs2，这个时候U2的PMOS管是关闭的，电流不会从S2流向D2；而在NGATE引脚上会产生PWM脉冲，这个电平脉冲会控制U2中N沟道MOS管的开关，NMOS管是正行导通，电流由D1流向S1。下面三图是在没有外部电源输入或者外部电源输入过低的时候会进行升压抓取的波形图：
这幅图示波器抓取得波形可以看到2通道是PGATE同步引脚，在升压的时候维持高电平；1通道是NGATE同步引脚，在升压的时候输出PWM脉冲。
这个波形中通道2是NGATE同步引脚，通道1波形是L1电感上端可以看到在不断变化，L1电感下端是连接到电池的正级基本上是电池电压，不会变化。
当有输入电源的时候，就可以对电源进行充电，ZS6366/A 用开关方式对电池进行涓流/恒流/恒压三段式充电。当电池电压低于 3V 时进行涓流充电；当电池电压高于 3V 时进行恒流充电；当电池电压接近 4.2V 时进行恒压充电，此时充电电流开始逐渐减小，当电流减小到恒流充电电流的 1/10 时，4 个 LED 灯全部常亮，指示电池已经充饱。充饱时，芯片可选择电流进一步减小到零，维持浮充电压；或者终止充电，等待电池电压降低到一定电压(VRECHG)时进行复充(Recharge)。这个时候对于充电电池的参数选择就要满足这个芯片的充电管理，比如下面是一个充电电池的参数：
对电池充电的电流大小由芯片的 SNS 引脚和 BAT 引脚之间的采样电阻 RS来设定。当进行充电的时候NGATE引脚输出低电平，U2中的NMOS管关闭，PGATE引脚输出PWM脉冲，控制U2中的PMOS管不停的开关，电流从S2流向D2，通过电感L2就可以给电池充电。下面的三幅波形图是充电过程中抓取的：
通道2为PGATE引脚输出的PWM波形，通道1为NGATE引脚输出。
这个波形中通道2是PGATE同步引脚，通道1波形是L1电感上端可以看到在不断变化，L1电感下端是连接到电池的正级基本上是电池电压。
这是上图的放大，可以看到PGATE输出高的时候PMOS管关闭，电感上电压有一个跳变；PGATE输出低的时候，PMOS管打开有电流通过电感。
放电过流保护和短路保护功能：负载电流超过限流电流继续增大，当 CS 与 CSN 两端的压差超过 42mV，且维持时间超过 1S，则系统启动负载过流保护功能，ZS6366/A 将会关闭 USB 的输出通路 MOS 管，进入待机状态。 空载检测功能：当 CS 与 CSN 两端的压差低于 2mV 且持续 80s 时，芯片判断外部负载消失，进入待机状态。在推荐电路图中对于 U3 和 Q1，因为他们工作在直流条件下，因此只需考虑导通电阻足够小即可，推荐使用导通电阻小于 40mΩ 的 MOS 管，针对大电流应用则选择内阻相对更小的 MOS 管为宜，U3的功能就是用来做短路保护的。U3集成了2个NMOS管，正常情况下BATCTR输出高电平，NMOS管打开，电流由D流向S，再到电源负极，形成完整的电流回路。当检测的短路的时候BATCTR引脚输出低电平，NMOS管关闭，电流回路被切断，起到保护作用。
三、zs6366a在实际产品中的应用
上图是zs6366在实际电路中的使用，基本上跟参考电路是相同的，在输出加了Q2来控制输出电压，PGATE引脚通过NPN和PNP的三极管组合来控制PMOS管。为什么要用一个NPN和PNP管的组合，在这里主要是用来放大PGATE的信号，这个放大了的信号能更快的控制PMOS管的通断，减少了开关期间的不稳定状态的时间。
4、NPN、PNP组合电路的分析
问题：OUT端接一个N沟道MOS的G，请见过的朋友告诉下这是怎么控制的呀？具体图片是这样的，PB1为单片机的输出端口，VCC10为10V直流。当PB1输出为0时，Q5截止，A点为高，Q9导通，Q10截止，OUT输出高；当PB1输出为1时，Q5导通，A点为低，Q9截止，此时Q10的基极和集电极都为低，Q10也不会导通呀？OUT怎么输出低呀？
回答：这是很普通的应用。两管工作时此通彼停。
“此时Q10的基极和集电极都为低”－－－Q10具备导通的条件，保证OUT端低电，至于有没有导通电流。要看OUT接的电路。只要OUT端有电压，Q10就通。还可防止Q9的漏电保证OUT端低电。
追问
具体电路是这样的，PB1为单片机的输出端口，VCC10为10V直流。当PB1输出为0时，Q5截止，A点为高，Q9导通，Q10截止，OUT输出高；当PB1输出为1时，Q5导通，A点为低，Q9截止，此时Q10的基极和集电极都为低，Q10也不会导通呀？OUT怎么输出低呀？
追答
Q10是PNP，只有基极和集电极低电，Q10才能通！Q9和Q10相当于单刀双掷开关。Q10怎么不能导通呀？真不知你是怎么想的，无语。
追问
从网上看有人说对PNP型三极管导通条件好象是：Ue>Ub,Uc>Ub，但Q10的基极和集电极都为低，不满足Uc>Ub呀，还有OUT端接的是MOS管得G，OUT端对地电阻应该是无穷大，那么OUT点的点位也不知道呀？
追答
“Q10具备导通的条件，保证OUT端低电，”“只要OUT端有电压，Q10就通”。认真想想！
OUT端接的是MOS管的G，Q10可以说是最优设计。原理是Q9由导通转截止后，如果没有Q10，MOS管G极的高电将保持一段时间，显然是不行的，Q10作用就是把此高电放掉。
五、马桶洁厕剂倒灌自来水，跟电源倒灌是一个道理
马桶洁厕剂倒灌自来水，跟电源倒灌是一个道理。生活中，马桶蓝水倒流进自来水管的案例很多。隔壁王先生打开水龙头，流出的竟是淡蓝色自来水，但小区其他住户家中并未出现类似情况。经过水务集团技术人员的检测发现，该蓝色自来水系楼上住户使用的马桶清洁剂倒灌导致。还原“倒灌”原理马桶水回流进家中:
蓝色洁厕块怎么会导致自来水变蓝呢？水箱的水，又是怎么流到自来水管里的呢？来看一个“蓝水污染实验模型”。整个模型由几部分组成：左侧：模拟抽水马桶玻璃水箱、从楼上水管引下的模拟城市供水管网;右侧：模拟居民庭院供水管网、模拟楼层。实验开始后，水质监测人员将一块固态洁厕剂放入马桶水箱，并打开城市供水管网阀门，将水箱充满水。随着水箱中的水位上升，固态洁厕剂也渐渐融化，原本透明的水变成了蓝色。这时，检测人员中断了城市管网的供水，也就是平日居民遇到的“停水”。
奇特的一幕发生了：只见左侧抽水马桶水箱中的蓝色水开始倒流，慢慢蔓延到右侧居民庭院供水管网，再流入右侧各单元居民住户的供水点。当打开各单元居民住户的水龙头时，流出的水都变成了蓝色。那么问题来了：我家也用过洁厕灵，自来水为什么没有这个现象？原因是，这个现象的出现需要有两个条件：
1、需要有回流的路径，不可能平白无故的马桶水箱的水流到自来水中。
2、需要有压差，也就是马桶水有流出来的动力。（停水）（如果条件1满足，那么也可以利用洁厕灵的分子扩散，但是那个进程非常慢）
在电路设计的时候，我们如果我们设计的不好，也经常会出现电源倒灌的现象：
1、首先，我们我们讨论电源倒灌的回流路径
大多数逻辑元件系列中的输入和输出电路,其芯片内部内接电源端 VCC 的二极管(是半导体的寄生二极管,如果要去掉这个二极管需要特殊处理,处理掉这个二极管,芯片就支持热插拔了.),在正常工作时，信号需要高于VCC 大约0.7V（二极管正向导通），这个二极管才会导通，有电流。
1、当VCC后上电的时候，如果先上电的器件，会输出高电平的话，会通过这个二极管对VCC进行充电（由于VCC此时电压非常低，所以二极管导通）；
2、由于VCC一般会接大量的电容到GND，所以这个电流特别大，会把二极管给损坏，造成整个器件的损坏，同时造成输出器件的电流过大，导致损坏；
3、而且时间长，会把VCC给拉高一定程度，破坏VCC的上电斜率。
2、第二我们讨论电源倒灌的电压差（如果马桶水倒灌的水压差一样）随着集成电路(IC)时代的到来，许多功能模块被集成到一个IC中，因而需要利用多个电源为这些模块供电。这些电源的电压有时候相同，但更多时候是不同的。如果我们不满足这个时序要求，就会在芯片内部出现满足回流路径的压差。当IC需要多个不同的电源时。目前，一些较常用的电源电压是：1.0V、1.1V、1.2V、1.5V、+1.8 V、+2.5 V、+3.3 V、+5 V。。。。。（一些cpu内核电压选择低电平，在接口选择高电平，这个不同电源域之间的接口需要满足时序要求，否则就跟不同器件之间的灌电流的情况是一样的）。如果我们满足电源时序要求，或者让电源先上电，接口后输出，就没有这种压差导致灌电流了。（如同：如果不停水，则马桶的水很难倒灌到自来水管中）.下图是个IC的电源时序要求。
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