實驗目的

學習升壓（Boost）型直流開關電源的基本原理。

實驗原理

給一個電感通電，然后迅速斷電，電感的開路一側會出現高電壓。

我們可以用下面這個由一個電感和一個開關組成的簡單電路來學習一下電感的升壓原理。下圖是電路圖：

圖1-電感升壓實驗電路

下圖是在面包板上組裝好的電路：

圖2-面包板上的電感升壓電路

下面是按下按鈕然后迅速松開后的波形截圖：

圖3-電感升壓波形

可以看到 5V 電壓在電感開路一側被升高到了 130V。

在這個簡單的電感升壓電路后面加一個二極管和電容就構成了經典的升壓型直流-直流開關電源（switched-mode boost DC-DC power supply）：

圖4-經典升壓型直流-直流開關電源原理圖

當開關閉合期間，由于二極管右側電壓高于左側，二極管可以防止電容存儲的電能通過開關向電源放電。電容用于減小開關電源紋波，起穩壓濾波的作用。

實驗電路

我們使用 Arduino UNO 來產生控制 PWM 信號，開關我們使用 N 溝道場效應管 IRFZ44N。N 溝道場效管的 Gate 極在輸入低電平 時場管的 Drain 極和 Source 極會關閉，反之， Gate 極輸入高電平 ，Drain 極和 Source 極會導通。

實驗電路原理圖如下：

圖5-基于Arduino的升壓型直流-直流開關電源

Arduino A0 引腳接可調電阻，用于調節輸出電壓。

A1 接反饋信號，由于使用了 1k 和 8k 電阻分壓，實際輸出電壓是此電壓的 9 倍。

D3 引腳接輸出 PWM 控制信號，輸出高電平時場管導通，輸出低電平時場管關閉。

可調電阻輸出 5V 時，輸出電壓最大，為 5V*9=45V。

下面是 Arduino 代碼：

/*
 * 這是使用 Arduino 制作的帶反饋的升壓型（Boost）直流開關電源示例代碼。
 * 使用 Arduino UNO.
 * D3: 輸出控制 PWM 信號。
 * A1: 接反饋信號。
 * A0: 接可調電阻。用于調節輸出電壓。
 * 歡迎搜索并關注薇信公號：飛多學堂。學習更多電子知識和示波器使用技巧。
 */

int potentiometer = A0; // 輸入引腳：可調電阻，接A0。
int feedback = A1;      // 輸入引腳：反饋信號，接A1。
int PWM = 3;            // 輸出引腳：PWM 控制信號，接D3。
int pwm = 0;            // 要寫入到 PWM 的值，0:輸出方波占空比 0%（低電平）；255:方波占空比 100%（高電平）
// 本實驗中使用的是 N 溝道場效應管，低電平關閉，高電平導通
// PWM 引腳輸出高電平->場管打開->電感導通；
// PWM 引腳輸出低電平->場管關閉->電感截止；
// 電感導通的時間越長，關閉時輸出的電壓越高。
// 增加 PWM 占空比->增加場管導通的時間->增加電感導通時間->增加關閉時的瞬間電壓->增加輸出電壓

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(potentiometer, INPUT); // 引腳設置為輸入
  pinMode(feedback, INPUT);      // 引腳設置為輸入
  pinMode(PWM, OUTPUT);          // 引腳設置為輸出
  // 引腳3和11,PWM 信號頻率：31.37255Hz
  TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001;
  Serial.begin(9600); // open the serial port at 9600 bps:
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  // 讀取可調電阻電壓，也就是期望電壓，
  float voltage = analogRead(potentiometer); 
  // 讀取反饋電壓，來自于實際電壓，因為使用了1k和8.2k電阻分壓，所以實際電壓是反饋電壓的10倍
  float output = analogRead(feedback);
  Serial.print("voltage=");Serial.print(voltage);
  Serial.print(",output=");Serial.print(output);

  // 如果輸出電壓低于期望電壓，增加 PWM 信號占空比，增加電感導通時間，提高電感關斷時的電壓，進而提高輸出電壓
  if (output < voltage)
  {
    pwm = pwm + 1;
    pwm = constrain(pwm, 1, 254);
  }
  // 如果輸出電壓高于期望電壓，減小 PWM 信號占空比，減小電感導通時間，降低電感關斷時的電壓，進而降低輸出電壓
  else if (output > voltage) 
  {
    pwm = pwm - 1;
    pwm = constrain(pwm, 1, 254);
  }

  analogWrite(PWM, pwm); 
  Serial.print(",pwm=");Serial.print(pwm);
  Serial.println();
}

程序不停對可調電阻的電壓 voltage 和輸出電壓的 1/9 output進行比較，當 voltage < output 時，增大 PWM 信號占空比，提高輸出電壓；當 voltage > output 時，減小占空比，降低輸出電壓。

實驗步驟

1.在面包板上搭建電路：

圖6-面包板上的基于Arduino的升壓型直流-直流開關電源

2.示波器波形圖如下：

圖7-基于Arduino的升壓型直流-直流開關電源波形動圖

可以看到隨著 PWM 控制信號占空比的增加，電感輸出電壓逐漸增大，最高可達 34.8V。

實驗結論

升壓型直流開關電源是利用了通電后的電感突然斷開，在開路的一側會出現電壓升高這一特性而實現的，并且，通電時間越長，電感斷開時出現的瞬間電壓越高。