Boost 升壓電路（也稱升壓轉換器、Step-Up Converter）是切換式電源的另一大核心拓撲。它的任務非常明確：把較低的輸入電壓升到更高的輸出電壓——最經典的應用就是將鋰電池的 3.7V 升壓到 5V 給 USB 裝置供電。
本文從 升壓轉換器原理出發，對比 Buck 降壓電路的差異，深入 Boost 拓撲的運作機制，並以 鋰電池升壓 5V 為例，實際設計一組可用的 USB 輸出電源。
Boost 升壓電路與 Buck 的關鍵差異
雖然 Boost 和 Buck 都使用了電感、MOSFET、二極體和電容這四種核心元件，但它們的排列方式完全不同：
| 特性 | Buck 降壓 | Boost 升壓 |
|---|---|---|
| 電感位置 | 在開關之後（輸出端） | 在開關之前（輸入端） |
| MOSFET 位置 | 電感前端對 Vin | 電感後端對 GND |
| Ton 時 | 電感串聯 Vin→Vout 儲能 | 電感對地短路儲能 |
| Toff 時 | 二極體續流放能 | 電感串聯 Vin 升壓輸出 |
| 輸出公式 | Vout = Vin × D | Vout = Vin / (1−D) |
| Duty 範圍 | 0~100%（實務 < 95%） | 0~100%（實務 < 90%） |
| 最大升/降壓比 | Vin / Vout 可達 10 倍 | Vout / Vin 通常 < 5 倍 |
Boost 升壓轉換器工作原理
Ton 階段（開關導通）
- MOSFET Q₁ 導通，電感 L₁ 的右側被拉到 GND
- 電感兩端電壓：VL = Vin（理想值）
- 電感電流線性上升，斜率 = Vin / L
- 二極體 D₁ 反向偏壓（截止），輸出端由 Cout 供電
- 關鍵：此時負載電流完全由輸出電容提供
Toff 階段（開關關斷）
- MOSFET Q₁ 關斷，電感電流不能瞬間中斷
- 電感「推」電流穿過 D₁ 到輸出端
- 電感兩端電壓：VL = Vout − Vin（反極性）
- 此時電感 + Vin 串聯輸出 → 輸出電壓高於輸入
- 電感電流線性下降，同時對 Cout 充電 + 供應負載
這就是 Boost 的核心奧秘：Ton 時電感儲能，Toff 時電感和輸入電壓串聯疊加，產生高於 Vin 的輸出。
Boost 電路關鍵公式
設計 Boost 電源必備的計算公式：
| 參數 | 公式 | 說明 |
|---|---|---|
| 工作週期 (Duty) | D = 1 − (Vin / Vout) | 忽略二極體壓降的近似值 |
| 實際 Duty | D = 1 − (Vin × η) / Vout | 考慮效率 η（通常 85%~90%） |
| 電感值 | L ≥ (Vin × D) / (ΔIL × fsw) | ΔIL 通常取 20%~40% Iin |
| 輸入電流 | Iin = (Vout × Iout) / (Vin × η) | 升壓時輸入電流 > 輸出電流 |
| 電感峰值電流 | Ipeak = Iin + ΔIL/2 | 決定電感飽和電流規格 |
| 輸出電容 | Cout ≥ (Iout × D) / (fsw × ΔVout) | Boost 對輸出電容要求更高 |
實例：Vin=3.7V、Vout=5V、Iout=1A、fsw=1MHz、η=87%：
- D = 1 − (3.7×0.87)/5 = 0.356（35.6%）
- Iin = (5×1) / (3.7×0.87) ≈ 1.55A
- ΔIL 取 0.4×1.55 = 0.62A：L ≥ (3.7×0.356) / (0.62×1M) ≈ 2.1μH → 選 2.2μH
- Ipeak = 1.55 + 0.31 = 1.86A → 電感飽和電流需 > 2.5A
- Cout 若 ΔVout=50mV：Cout ≥ (1×0.356) / (1M×0.05) ≈ 7.1μF → 選 22μF MLCC
常用 Boost IC 推薦
| IC | Vin 範圍 | Vout | 頻率 | 特色 |
|---|---|---|---|---|
| MT3608 | 2V~24V | 可調至 28V | 1.2MHz | 最便宜、最容易買到模組 |
| FP6291 | 2.6V~5.5V | 可調至 12V | 1MHz | 鋰電池專用、內建 OVP |
| TPS61088 | 2.7V~12V | 可調至 12.6V | 700kHz | 高效率、10A 開關、TI 方案 |
| XL6009 | 3V~32V | 可調至 35V | 400kHz | 高壓大功率、適合升壓到 12V/24V |
| MAX1771 | 3V~16.5V | 可調至 18V | 300kHz | 低 IQ、內建 MOSFET |
對於鋰電池 3.7V→5V 應用，MT3608 或 FP6291 是 CP 值最高的選擇——成本不到 5 元台幣、模組到處有、效率可達 90%。
實作：鋰電池 3.7V 升壓 5V USB 輸出
規格需求
- 輸入：18650 鋰電池（3.0V~4.2V）
- 輸出：5V / 1A（USB 標準）
- 效率目標：> 85%
- 保護：輸出過壓保護（OVP）、低電壓鎖定（UVLO）
以 MT3608 為例
MT3608 典型升壓電路（3.7V 鋰電池 → 5V / 1A）
電池(3.7V) ─┬─ Cin(10μF+0.1μF) ─┬─ L₁(2.2μH) ─┬───────────┬─ Vout=5V
│ │ │ │
│ GND │ └─ Cout(22μF+10μF)
│ │ │
└─ EN ─┬─ 100kΩ ── Vout (Enable) D₁(SS34) GND
│ │
GND SW │
(IC 內部切換到 GND)
回授分壓（Vout = 0.6V × (1 + R₁/R₂)）：
Vout ─┬─ R₁(73.2kΩ) ─┬─ FB (0.6V)
│ │
└─ R₂(10kΩ) ────── GND元件清單：
- IC：MT3608（SOT-23-6 封裝）
- L₁：2.2μH / 3A 飽和電流（屏蔽型功率電感）
- D₁：SS34（Schottky，3A/40V）或 SS12
- Cin：10μF + 0.1μF MLCC（靠近 IC 腳位）
- Cout：22μF + 10μF MLCC（低 ESR，耐壓 16V）
- R₁：73.2kΩ（1%）
- R₂：10kΩ（1%）
- USB 座：Type-A 母座或 Type-C
Boost vs Buck-Boost：什麼時候用哪個？
Boost 只能升壓（Vout > Vin）。如果你的輸入電壓範圍同時跨越輸出電壓（例如鋰電池 3.0V~4.2V，但你需要穩定的 3.3V），單純的 Boost 或 Buck 都無法滿足——這時候需要 Buck-Boost（升降壓）拓撲。
| 場景 | 推薦拓撲 | IC 範例 |
|---|---|---|
| 鋰電池 3.7V → 5V USB | Boost | MT3608 / FP6291 |
| 鋰電池 3.7V → 12V LED 燈條 | Boost | XL6009 |
| USB 5V → 12V 工業感測器 | Boost | MT3608 |
| 鋰電池 3.0~4.2V → 3.3V MCU | Buck-Boost / LDO | TPS63000 |
| 12V 汽車電源 → 5V | Buck | MP1584 |
PCB 佈局要點（Boost 特別注意）
Boost 的 PCB 佈局與 Buck 有幾個關鍵差異：
- 輸入電容靠近電感：Boost 的輸入電流是連續的（不像 Buck 是脈衝式），但 Cin 仍需靠近 IC 的 VIN 腳
- 開關節點（SW）遠離 FB：SW 節點是 MOSFET 汲極到電感 + 二極體的接點，高 dv/dt，必須遠離回授走線
- 輸出電容路徑最短：D₁ 到 Cout 的走線要粗短，因為 Toff 時所有的能量都走這條路
- 電感屏蔽很重要：Boost 的電感電流峰值比 Buck 更大（輸入電流 > 輸出電流），磁場耦合更嚴重
- 散熱：IC 底部加 Thermal Via：MT3608 這種 SOT-23 封裝散熱能力有限，1A 輸出建議加銅箔
常見問題與排錯
1. 輸出電壓不穩或無法達到目標
- 檢查回授分壓電阻值——Boost 對回授精度很敏感
- 檢查電感是否飽和（飽和時電流急升、輸出崩潰）
- 二極體速度不夠——一定要用 Schottky，不能用 1N4007
2. 開機瞬間電流過大（Inrush）
Boost 在啟動時會有一段時間輸出電容直接透過電感充電，瞬間電流很大。解決方案：
- 使用 Soft-Start 功能的 IC（如 TPS61088 有內建軟啟動）
- 加入 NTC 熱敏電阻 或 限流電路
- 輸出端不用太快切換重載
3. 輸出漣波過大（影響 USB 裝置）
- Boost 的輸出漣波天生比 Buck 大（輸出電流不連續）
- 增加 Cout 或使用更低 ESR 的 MLCC
- 輸出端加 LC 濾波（10μH + 10μF）
- 必要時在 Boost 後面加 LDO（如 5V→5V LDO，其實是濾波作用）
4. 空載或輕載時輸出飄高
這是最常見的 Boost bug。因為 Boost 即使在 MOSFET 不切換時，輸入電壓也會透過電感 + 二極體直通到輸出。解決方案：
- 確保 IC 有 True Shutdown 功能（MT3608 有 EN 腳）
- 輸出端加 假負載（1kΩ 電阻，吃 ~5mA）
- 使用 Load Switch 在關機時完全斷開輸出
總結
Boost 升壓電路是行動電源、鋰電池裝置、感測器節點中的核心電源架構。與 Buck 不同的元件排列方式，讓它能輸出高於輸入的電壓——代價是輸入電流更大、輸出漣波較高、輕載時需要小心處理。
掌握了 Buck 和 Boost 之後，你就具備了切換式電源設計的兩大核心技能。下一步可以學習 SEPIC、Ćuk 或 Flyback 等更進階的拓撲。
📖 延伸閱讀：Buck 降壓電路完整教學 · RS485 通訊教學
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