第二章 升壓電路理論
2.1 引言
一般而言，電路在進行電源轉換過程中，會先經由升壓電路將供應電源進行 升壓，當升壓電路將輸出提升至目標電壓後，再經由後級電路執行更細微的電壓 控制。在介紹遲滯控制升壓電源轉換電路架構之前，我們先從基本的升壓電路原 理討論起，後續再針對遲滯控制升壓電源轉換電路架構進行深入的探討與分析。
2.2 基本升壓電路介紹
升壓電路是能夠利用電路本身的特性，將電壓提升到數倍於供應電壓源輸 出，設計者能根據電路需求，選擇不同的升壓電路提供適當的電壓輸出。而實現 升壓電路大致可分為兩種方法，第一種是以使用電容為基底，當作儲存電荷的元 件，稱為開關電容（switched capacitor），另一種則是使用電感實現升壓電路，稱 為開關電感（switched inductor）。
我們利用 1 個電容為基底，連接 4 個數位開關來構成最基本的升壓電路，用 以達到 2 倍於供應電壓源的輸出電壓，如圖 2.1 所示。電容C在基本升壓電路內扮
演儲存電荷升壓的角色，為了後續內文說明方便，我們將之取名為升壓電容C。
VDD
Vout S1
S2
S3
S4
C VC
圖 2.1 基本升壓電路架構圖
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2.3 基本升壓電路分析
我們利用 1 個升壓電容為基底與 4 個數位開關構成基本的升壓電路，如圖 2.1 所示。開關S 、1 S 、2 S 與3 S 在交互切換的過程中，將選擇不同的導通路徑，而電4 路的工作情形可分為兩種行為模式：
1. 當開關S 、1 S 短路，4 S 、2 S 開路時，選擇如圖 2.2 所示的導通路徑，此時電3 路的狀態稱為設定階段（setup time），在這種行為模式下，電路將設定升壓電 容C的電壓值。而升壓電容C經由供應電源VDD充電，逐漸到達穩態時，升壓 電容C上儲存的電荷會在電容器兩端出現電壓差V ： C
DD
C V
V = (2.1)
2. 當開關S 、1 S 開路，4 S 、2 S 短路時，選擇如圖 2.3 所示的導通路徑，此時電3 路的狀態稱為升壓階段（pumping time）。由於電容器兩端的電壓連續，在開 關切換的瞬間，Vout端點的電壓值會由升壓電容C前一個狀態所產生的電壓差 V 再加上供應電源的電壓C VDD：
DD C
DD
OUT V V V
V = + =2 (2.2)
VDD
Vout
S1
S2
S3
S4
C VC
圖 2.2 基本升壓電路設定階段
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VDD
Vout
S1
S2
S3
S4
C VC
圖 2.3 基本升壓電路升壓階段
經上述電路分析，由方程式(2.1)、(2.2)我們可以得知，基本升壓電路在經過設定階 段與升壓階段兩種行為模式後，輸出電壓Vout會得到 2 倍於供應電源VDD的電壓值。
2.4 考慮負載的基本升壓電路分析
在上一個小節裡，我們針對基本升壓電路進行電路分析，得知在沒有附掛負 載的情況下，輸出端點Vout的電壓值經由基本升壓電路升壓後，可以得到 2 倍於供 應電源的電壓輸出。然而考慮到附掛負載對於電路行為模式的影響，在這個小節 裡，我們將基本升壓電路附掛一個電容Cout當作負載進行電路分析，如圖 2.4 所示。
VDD
Vout S1
S2
S3
S4
Cout
C VC
圖 2.4 考慮負載的基本升壓電路
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經上述電路分析，由方程式(2.5)至(2.7)我們可以得知，考慮附掛負載對於基本升壓 電路的影響，在附掛負載電容Cout後的基本升壓電路無法完整獲得 2 倍於供應電源 的電壓輸出，若負載電容Cout的電容值與升壓電容C相同時，輸出端點電壓Vout只 會得到相同於供應電源的電壓輸出，而當選擇的負載電容Cout大於升壓電容C時，
輸出端點電壓Vout會小於供應電源VDD，電路不會達到升壓的目的，故設計升壓電 路時要謹慎考量升壓電容與附掛負載的電容值大小。
VDD
Vout
S1
S2
S3
S4
Cout
C VC
圖 2.6 考慮負載的基本升壓電路升壓階段
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