在电源设计中，BUCK 负责降压，而 BOOST（升压变换器）负责升压。例如，将锂电池的低电压转换成更高的直流电压，或者将低压直流电源转换为 LED 驱动、传感器和其他电路所需要的供电电压，都可能用到 BOOST 电路。

理解 BOOST 的关键，并不是简单地记住输出电压大于输入电压，而是理解一个问题：输入电压明明比较低，电路究竟如何让输出端获得更高的电压？

答案藏在电感的储能与释放过程中。当开关管导通时，电感从输入电源吸收能量并建立电流；当开关管关断时，电感试图维持原来的电流方向，于是其两端电压发生变化，将开关节点电压抬高。此时，输入电源与电感共同向输出端传递能量，从而实现升压。

  • 电源模块原理图展示

从电路图看懂 BOOST 的结构

从图可以直接看出，BUCK 与 BOOST 都由开关管、电感、二极管和输出电容等元件构成，但它们的连接顺序不同。BUCK 的主开关位于输入侧，电感连接在开关节点与输出端之间；BOOST 则把电感串联在输入电源与开关节点之间，开关管从该节点连接到地，二极管再把开关节点连接到输出端。

一个典型的 BOOST 功率级包含四个关键元件：电感 LL、开关 MOSFET、升压二极管 DD 和输出电容 CC。输入电压记为 VinV_{\text{in}}，输出电压记为 VoutV_{\text{out}}，负载用 RR 表示。

电感负责储存和释放磁场能量；MOSFET 负责控制开关节点与地之间的连接；二极管负责在开关管关断时，为电感电流提供通向输出端的路径，并阻止输出电容在正常工作状态下向开关节点反向放电；输出电容则负责平滑输出电压，在输入功率与负载需求不完全匹配的瞬间提供能量。

这里需要特别注意：BOOST 并不是通过变压器的匝数比来升压，而是通过电感电流的变化和开关管的周期性切换来实现电压转换。它属于非隔离式开关电源拓扑，输入与输出通常共地。

BOOST 如何工作：开关导通与关断的两个阶段

理解 BOOST 最直观的方法，就是沿着电流路径分析 MOSFET 的两种状态。

第一阶段：MOSFET 导通，电感储能。 当 MOSFET 导通时，开关节点被拉向地，电感的右端电位降低，输入电压几乎全部加在电感两端。此时，电流从输入电源出发，经过电感和 MOSFET 流向地，电感电流逐渐上升，磁场能量不断增加。由于开关节点电压较低，升压二极管通常处于反向偏置状态，输出端与输入侧的开关节点隔离。负载所需的电流主要由输出电容暂时提供。

电感储存的磁场能量为：

EL=12LIL2E_L=\frac{1}{2}LI_L^2

其中，LL 为电感量，ILI_L 为电感电流。电流越大，电感储存的能量越多。

第二阶段：MOSFET 关断，电感释放能量。 当 MOSFET 关断时，原来的电感电流不能瞬间归零。为了维持电流沿原方向流动，电感两端的电压会改变，使开关节点电压上升。当开关节点电压高于输出电压与二极管正向压降之和时，升压二极管导通，电流经过二极管流入输出电容和负载。

此时，输入电源并没有停止供电。输入电源与电感释放的能量共同向输出端供能，因此输出端可以获得高于输入端的电压。

这也是 BOOST 与 BUCK 在能量传递方式上的一个重要区别：BUCK 的电感在主开关导通时储能，在关断时续流；BOOST 的电感在主开关导通时储能，在关断时则通过抬高开关节点电压，将能量送往输出端。

需要注意的是，输出电容在两个阶段都可能参与供能或充电。在开关导通阶段，二极管通常截止，电容为负载提供电流；在关断阶段，输入电源和电感通过二极管向负载供电，并在有剩余电流时给电容补充电荷。

一个 BOOST 升压设计实例

假设需要将 5V{5V} 输入转换为 12V{12V} 输出，最大输出电流为 1A{1A}，开关频率为 100kHz{100kHz}，暂时按理想 CCM 进行初步设计，并将电感电流纹波设为平均输入电流的 30%。

首先计算理想占空比：

D=1−VinVout=1−512≈0.583D=1-\frac{V_{\text{in}}}{V_{\text{out}}} =1-\frac{5}{12} \approx0.583

输出功率为：

Pout=VoutIout=12×1=12WP_{\text{out}}=V_{\text{out}}I_{\text{out}} =12\times1=12\text{W}

忽略损耗时，平均输入电流为：

Iin=125=2.4AI_{\text{in}}=\frac{12}{5}=2.4\text{A}

将电感电流纹波设为平均输入电流的 30%：

ΔIL=0.3×2.4=0.72A\Delta I_L=0.3\times2.4=0.72\text{A}

代入电感计算公式：

L=5×0.583100×103×0.72≈40.5μHL=\frac{5\times0.583} {100\times10^3\times0.72} \approx40.5\mu\text{H}

因此，可以初步考虑使用 47μH{47μH} 电感，并根据实际输入电压范围、纹波、饱和电流和温升进一步校验。

接下来，假设输出纹波目标为 120mV{120mV}，则忽略 ESR 时，输出电容的初步估算为：

Cout≳1×0.583100×103×0.12≈48.6μFC_{\text{out}}\gtrsim \frac{1\times0.583} {100\times10^3\times0.12} \approx48.6\mu\text{F}

可以从 68μF{68μF} 或更大的标称电容量开始评估，但最终需要结合电容的有效容量、ESR、纹波电流能力和负载瞬态要求确定。

这里所有结果都只是理想条件下的初步估算。真实设计必须考虑转换效率。例如，若效率为 90%，则输入电流约为：

Iin=PoutηVin=120.9×5≈2.67AI_{\text{in}}= \frac{P_{\text{out}}}{\eta V_{\text{in}}} =\frac{12}{0.9\times5} \approx2.67\text{A}

这比理想计算得到的 24A{24A} 更大。因此，电感、MOSFET、二极管和输入电源都必须按照实际工作电流留出余量。完成初步计算后，还应通过仿真和硬件测试检查输出纹波、负载瞬态、器件温升、环路稳定性以及开关节点的电压尖峰。

结语：BOOST 的本质是控制能量的积累与释放

BOOST 升压电路的工作原理可以归结为一个过程：MOSFET 导通时，电感从输入电源吸收能量；MOSFET 关断时，电感通过抬高开关节点电压，将储存的能量与输入电源的能量一起送往输出端。通过调节占空比，控制器就可以改变输入输出之间的电压转换关系。

从设计角度看，占空比是根据输入输出电压推导出来的，电感与电容是根据纹波和瞬态需求选出来的，MOSFET 与二极管需要满足电压、电流和损耗约束，而控制环路则负责让整个系统在输入和负载变化时保持稳定。

BUCK 与 BOOST 的公式不同，但背后的思路相通：利用开关控制能量流动，利用电感和电容完成能量的储存、传递与平滑，再通过反馈环路让输出达到预期目标。