一个简单的使用555定时器IC的DC-DC升压转换器

在这个项目中，我们使用555定时器IC构建一个升压转换器电路。升压转换器是一种非隔离类型的开关模式电源，用于升压。换句话说，它的输出电压比输入电压高。该电路非常类似于我们设计的用于控制电机和LED条的降压转换器，用于降低输入电压。升压转换器在我们的许多日常设备中都有使用，这些是非常常见的电力电子电路，与太阳能电池板和其他收集技术一起广泛使用，是当今最重要的电路之一。在本文中，我们将学习降压转换器，并使用555定时器和IRFZ44N， n通道MOSFET设计一个非常简单的升压转换器。你可以在这里查看简单有趣的电力电子电路。

DC-DC升压变换器的工作原理

升压变换器用于通过减小电流来增加输出电压，这是通过在电感中存储能量来实现的，并且由于电感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。通过电感器的电流由电感器= V/R给出，由于电阻和电流是恒定的，唯一可以改变的值是电压。如下图所示，电感与电压源串联连接以不断打开和关闭电路，开关并联于电压源和电感以实现快速开关，我们利用MOSFET和MOSFET驱动器。电路与负载和与负载并联的电容器相连。为了阻止电流从电容器反向流动，在电容器和MOSFET之间使用一个二极管。

电感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定电流输入源，而负载充当恒定电压源，该电路与降压转换器非常相似，有时被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为负载提供恒定的输出。电路分两个阶段工作，在第一阶段，开关处于闭合状态，在第二阶段，开关处于断开状态。

第一阶段：开关打开：充电模式

在这种情况下，MOSFET开关被打开。我们使用的MOSFET是一个n通道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，它完成了穿过电感器的电路，并在其上施加电压，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，所有的电压流过开关并返回到电源，如下图中的红线所示。

之前在最后一个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在相反方向流动的电荷。

第二阶段：开关关闭：放电模式

当开关处于关断状态时，电感的充电路径没有完成，因此电感的极性被逆转，其周围的磁场崩溃，从而产生电压浪涌，通过二极管并对电容器充电。来自电感和源的累积能量用于给电容器充电，并在负载上运行。

工作周期:

一个开关周期的总时间称为时间段(T)，开关的通断时间分别由Ton和Toff给出。因此:

频率(f)由-给出

占空比(D)由开关接通的总时间相对于总时间段给出。占空比为：

利用基尔霍夫电压定律，我们可以推导出升压变换器的稳态。在这里，我们认为电路是理想电路，在整个过程中没有功率损失，即：

理论上，在一个完整的周期内，电感电流的净变化量为零，输入电压Vin与输出电压Vout之比为：

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

电感器计算值：

我们知道平均输入电流(Iavg)等于平均电感电流(ILavg)。因此，平均电感电流可计算为：

电感的纹波电流通常为平均输出电流的20-40%。

计算充电电容：

计算电容器充电时间Tc = 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，您也可以使用这个在线计算器。

计算输出电容：

元件选择

我在Eschema， KiCad上设计了电路，并使用上述公式对所需元件进行了计算。然后我在面包板上做了电路。在KiCad中设计的电路图如下所示。

组件要求:

•1 × NE555

•1 x IRFZ44N - N沟道MOSFET

•1 × 100uH，电感器

•1 x 1K，电阻

•2个IN4001二极管

•1 x IN5822二极管

•1 × 100nF，电容

•1个1nF电容

•1 × 50k电位器

•2个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：您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IN5822，因为1n4007的慢速度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，我改为更快的IN5822。

升压变换器电路的工作

该电路在不稳定模式下使用555 IC作为PWM发生器，因此整个电路都是基于相同的。所有8个引脚的连接如下：

•引脚1连接地轨。

•引脚2和引脚6，通过1nF电容接地。

•引脚3给出输出信号，因此它连接到IRFZ44N， n通道MOSFET的栅极。该引脚负责将pwm输出驱动到MOSFET的栅极。

•引脚4需要连接到电源

•引脚5有助于稳定输出，因此它通过0.01 uF电容器连接到地。它还有助于提供对电子噪音的免疫力。

•引脚7连接到倒置二极管装置;该结通过一个1K电阻连接到正轨。

•8号引脚需要连接到电源。

任何SMPS中的主要组件都是开关，在这个电路中，我们使用n通道MOSFET IRFZ44N作为开关。它由IC 555发出的微弱信号驱动，因此IRFZ44N的门接在555IC上。漏极为电路提供负开关控制，电源连接到地。它具有以下规格

VDSS = 55v

RDS(on) = 17.5mΩ

ID= 49a

基于555定时器的直流升压变换器电路测试

我用一个3.7V的锂离子电池测试了这个电路，电池被充电到3.4V左右。我将电池连接到升压转换器，电压显示读数为7.5V。升压变换器输出端的图像如下所示。

为了测试电流，我将万用表的引线改为电流探头(请记住在万用表上选择10A或20A设置以保护它免受损坏)，电流显示为3.2安培，因此该电路能够产生约30瓦。电路工作正常，能够提高电压。

当负载连接在电路上时，反馈的缺乏导致电路电压下降。升压变换器采用的反馈确保即使负载连接时占空比也保持稳定。通过使用微控制器测量输出的变化，然后改变输入电阻，我们可以很容易地提供反馈，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，可以使用，如果你需要一个更高的电压，那么你的电压源可以提供，同时减少电力浪费在你的电路。这个电路能够提供超过30W的功率。尽管如此，建议至少使用一个穿孔板来创建电路，因为常规面包板是用于低功率应用的。如果你需要一个恒定的输出，你应该用固定电阻代替锅，以提高整体设计效率。这种电路的主要缺点是，由于缺乏反馈，当你连接负载时，电压降相当大。

本文编译自circuitdigest