原创 使用555定时器IC的简单DC-DC升压转换器

升压转换器用于通过降低电流来增加输出电压，这是通过将能量存储在电感器中来实现的，并且由于电感器中的能量不能立即改变，因此它开始将能量存储在其磁场中。电感器两端的电流由I inductor = V/R给出 由于电阻和电流是恒定的，唯一可以改变的值就是电压。如下图所示，一个电感器与电压源串联连接，以不断打开和关闭电路开关与电压源和电感器并联连接，以实现快速开关我们使用MOSFET和MOSFET驱动器. 该电路连接到负载和与其并联的电容器。为了阻止电流从电容器反向流动，在电容器和 MOSFET 之间使用了一个二极管。

电感器试图抵抗电流的变化以提供恒定的输入电流，因此升压转换器充当恒流输入源，而负载充当恒压源，该电路与降压转换器非常相似，有时称为 反向降压转换器。N 沟道 MOSFET 由 PWM 信号控制，我们使用 IC 555 定时器为 MOSFET 提供输出。电容器用于存储电荷并向负载提供恒定输出。该电路分两个阶段工作，在第 1阶段，开关打开，在第 2阶段，开关处于关闭阶段。 

第 1 阶段：开关打开：充电模式

在这种情况下，MOSFET 开关导通。我们使用的 MOSFET 是 N 沟道 IRFZ44N MOSFET，其栅极引脚连接到 IC555 定时器的引脚 3。当开关处于 ON 状态时，它完成了电感器两端的电路，电压施加在电感器两端，从而在其周围产生磁场。由于它提供了一个非常低的电阻路径，所有电压都流过开关并返回到电源，如下图中红线所示。

之前在最后阶段充电的电容器试图从 MOSFET 放电并停止它，我们使用二极管来阻止电容器反向流动的电荷。

阶段 2：开关关闭：放电模式

当开关处于关断状态时，电感的充电路径未完成，因此电感的极性反转，其周围的磁场瓦解，结果产生电压浪涌，通过二极管对电容充电。来自电感器和电源的累积能量用于为电容器充电并在负载上运行。

占空比：

一个开关周期的总时间称为时间周期 (T)，开关的导通时间和关断时间分别由 T on 和 T off给出 。所以：

频率(f ) 由 -

占空比 (D) 由开关打开的总时间相对于总时间段给出。占空比由下式给出：

使用基尔霍夫电压定律，我们可以推导出升压转换器的稳态。这里，我们将此电路视为理想电路，整个过程没有功率损耗即：

理论上，在一个完整的周期内，电感电流的净变化为零，输入电压 V in 与输出电压 (V out ) 的比值由下式给出：

理论上，0 < D <1，但如果我们将 1 作为占空比，那么比率将变得无穷大，这是不可能实现的。

电感的计算值： 

我们知道平均输入电流 (I avg ) 等于平均电感电流 (I Lavg )。因此，平均电感电流可以通过下式计算：

电感器的纹波电流通常为平均输出电流的 20-40%。

计算充电​​电容：

计算电容器的充电时间 T c  = R*C

这里，R是充电电路的电阻，C是电容器的电容。在我们下面给出的电路中，充电电路遵循红色标记的路径，即 R3 > D2 > C2。

要计算输入电阻和电容的值，还可以使用此在线计算器。

计算输出电容：

我在 Eschema、KiCad 上设计了电路，并使用上述公式对所需组件进行了计算。然后我在面包板上制作了电路。在 KiCad 中设计的电路图如下所示。

所需组件： 

• 1 个 NE555
• 1 个 IRFZ44N – N 沟道 MOSFET
• 1 x 100uH, 电感
• 1 x 1K，电阻器
• 2 个 IN4001 二极管
• 1 个 IN5822 二极管
• 1 x 100nF，电容器
• 1 x 1nF 电容
• 1 x 50k 电位器
• 2 x 2pin 连接器（用于连接电路的输入和输出）

选择组件时要记住的事情：

MOSFET：你需要选择一个能够承受最大输出电压的MOSFET，因此它的击穿电压应该高于转换器的最大输出。

二极管：对于低电压操作，我使用了 IN5822，因为 1n4007 的慢速使其无法用于我们的操作。我们需要选择一个快速二极管，我尝试使用 1n4007 二极管作为输出二极管，但由于性能问题，我换成了更快的 IN5822。

该电路在不稳定模式下使用 555 IC作为 PWM 发生器，因此整个电路基于相同的原理。所有8个管脚的连接如下：

• 引脚 1 连接到地轨。
• 2脚和6脚，通过一个1nF的电容与地相连。
• 引脚 3 提供输出信号，因此它连接到 IRFZ44N、N 沟道 MOSFET 的栅极。该引脚负责将 pwm 输出驱动到 MOSFET 的栅极。
• Pin 4需要接电源
• 引脚 5 有助于稳定输出，因此它通过 0.01 uF 电容器接地。它还有助于提供对电噪声的免疫力。
• 引脚 7 连接到反向二极管设置；该结点通过一个 1K 电阻器连接到正轨。  
• 引脚 8 需要连接到电源。

任何 SMPS 中的主要组件都是开关，在此电路中我们使用 N 沟道 MOSFET IRFZ44N 作为开关。它由来自 IC 555 的微弱信号驱动，因此 IRFZ44N 的栅极连接到 555IC。漏极为电路提供负开关控制，源极接地。它具有以下规格

VDSS = 55V

RDS(on) = 17.5mΩ

ID = 49A

我用 3.7V 锂离子电池测试了电路，电池被充电到大约 3.4V。我将电池连接到升压转换器，它两端的电压读数为 7.5V。升压转换器输出端的输出图像如下所示。

为了测试电流，我将万用表的表笔换成了电流探头（请记住在万用表上选择 10A 或 20A 设置以防止其损坏。）电流显示为 3.2 安培，因此该电路能够产生大约 30 瓦。该电路确实工作正常并且能够提高电压。

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当负载跨接在电路上时，缺少反馈会导致电路电压下降。升压转换器采用的反馈可确保即使在连接负载时占空比也保持稳定。我们可以通过使用微控制器测量输出变化然后改变输入电阻来轻松提供反馈，从而使该电路对大多数操作更有用和实用。

这是一个非常简单但有效的电路，如果您需要比电压源可以提供的电压更高的电压，可以使用它，同时减少电路中的功率浪费。该电路能够提供超过 30W 的功率。虽然，建议至少使用穿孔板来创建电路，因为普通面包板适用于低功率应用。如果需要恒定输出，则应使用固定电阻代替电位器，以提高整体设计效率。该电路的主要缺点是由于缺乏反馈，连接负载时电压降相当大。最后一句话是，构建电路是一件很有趣的事情，它可以通过我们办公桌上都有的简单组件来设计。