【技术帖】小芯片大能量，Smart Boost探索之旅

在现代电子设备中，我们常常遇到一个矛盾：系统需要一个比输入电源更高的电压来驱动关键部件。例如：单节锂电池（3.0V-4.5V）需要为白光LED（约3.3V）、USB接口（5V）或音频放大器（12V）供电。如何优雅、高效地解决这一矛盾？答案就是Boost（升压）变换器。

作为开关电源DC-DC变换器家族的核心成员之一，Boost电路如同一位高效的“电压魔术师”，通过巧妙的储能与释放，将输入电压提升至所需水平。从智能手机的显示屏背光，手机USB接口的对外供电，到新能源车的动力系统，再到光伏逆变器的最大功率点跟踪，Boost变换器以其简洁的拓扑、高效的性能，奠定了其在电力电子领域不可撼动的地位。接下来我们揭开Boost变换器神秘面纱。

Boost变换器家族与工作原理

“族谱”定位

Boost属于非隔离型DC-DC变换器，是四种基本开关拓扑（Buck降压、Boost升压、Buck-Boost升降压、Ćuk）中的升压担当。其核心特征是输出电压始终高于输入电压（Vo > VIN）。

核心工作原理

Boost电路的本质是通过电感储能，并将其与输入电压串联后输出来实现升压（图1示）：

图1 Boost电路工作原理

阶段一：储能

开关管M1导通，M2断开，输入电压VIN全部加在电感L两端，电感电流IL线性增加，将电能以磁能形式储存起来，这段时间记为t1（如图2示），此时负载RL需要电流由输出电容Co单独供电。

阶段二：释放能量

开关管M1断开，M2导通，电感电流不能突变，产生一个左负右正的反电动势，此时电感左侧电压是VIN，右侧电压Vo，与输入电源一起向输出电容C充电和负载RL供电，这段时间记为t2（如图2示）。

按照根据伏秒定律（理想条件）可以得到如下公式：

VIN*t1=（Vo-VIN）*t2 (1)

同时由于：

T=t1+t2=1/f (2)

D=t1/T (3)

基于公式(1)、（2）、（3）可以推导得到占空比D与电压关系：

D=（Vo-VIN）/Vo （4）

如下图2示意是Boost 处于CCM工作模式下各器件上的波形：

图2Boost 处于CCM工作模式下各器件上的波形

将公式（4）做简单变形：

占空比与电压关系（理想）

Vo= VIN / (1 - D) （5）

当VIN接近Vo时，此时占空比D会逐渐降低，传统Boost架构会存在最小t1时间和最小t2时间，输入电压VIN接近甚至略高于所需Vo时，占空比D会变得非常小，此时开关和导通损耗占比增大，导致轻载或窄压差时效率急剧下降。艾为推出AW3615ACSRSmartBoost拥有PTM（Pass-ThroughMode）模式正是为了解决这一痛点。

1. 超高效“直通”模式

当检测到VIN > Vo（或在一个设定的阈值以上）时（如图3），Boost开关M1会完全关断，M2一直导通，电感L不再有储能作用，电流直通，形成输入电压到输出电压的直通通路（如图3所示）。在此模式下，电流路径几乎无损耗（仅有M2的导通电阻Rds(on)以及电感DCR），效率可高达99%以上，远超传统Boost在此场景下的效率。

图3PMT模式通路示意

2. 智能的模式切换

SmartBoost芯片具备智能模式切换逻辑，能够在输入电压波动时，在“Boost升压模式”和“PTM直通模式”间自动地转换，当输入电压超过VIN_PTM进入点时从Boost模式切换到PTM模式，当VIN低于VIN_PTM-时（即低于VIN_PTM+-Vhys），进入Boost模式，示意图如4：

图4 模式切换过程

其中：

1）VIN_bypass+ 是进入Bypass模式，VIN_bypass- 是退出Bypass 模式

2）VIN_UVLO+是芯片芯片欠压保护退出阈值点，VIN_UVLO-是芯片欠压保护进入阈值点

除了支持PTM 的高效模式外，AW3615ACSR 还支持PSM（轻载高效模式）和PWM模式，保证了全VIN和全负载范围的高效率，在正常Boost模式下效率最高可超过92%，不同条件效率曲线如下：

图5 模式切换过程

此外，AW3615ACSR是一款同步升压型DC-DC转换器，具有2.5V至5.5V宽输入电压范围和1.5A连续输出电流能力。AW3615ACSR在2.5MHz的开关频率下，实现了低输出电压纹波和小外部电感和电容器尺寸，以下是AW3615ACSR相关信息：

1.5A同步升压，带Bypass（也可称为Pass-Through）功能

Vin: 2.5V ~ 5.5V

Vout: VIN+0.5V ~ 6.0V （±2.2%）

静态电流：35uA

轻载高效模式

输出能力: Iload ≥ 1.5A at Vin≥3V，Vout=5V

高效率：Vin=3.7V，Vout=5V/1A效率≥92.6%

开 关 频 率 ：2.5MHz

集成多种保护：OVP、OTP、UVLO、Short-circuit Protection

封装: WLCSP 1.253mm × 1.253mm-9B

图6 典型应用框图