Boost 升壓電路完整教學：從升壓轉換器原理到鋰電池 5V 輸出設計

我最早接觸切換式電源時，是先學會了 Buck，然後很自然地以為「Boost 就是把 Buck 反過來接」。結果第一次自己做鋰電池升 5V 的板子，燒掉兩顆 MT3608 才搞懂：Boost 跟 Buck 不只是方向相反的同一件事，它的麻煩點完全不一樣。

Boost（升壓轉換器、Step-Up Converter）的任務很單純 —— 把比較低的輸入電壓推到比較高的輸出電壓，最經典的就是把鋰電池的 3.7V 升到 5V 餵 USB 裝置。但它付出的代價也很明確：輸入電流比輸出電流大、輸出漣波比較醜、空載的時候還會偷偷飄高。

這篇我想照我自己摸索的順序講：先看它跟 Buck 差在哪，再拆開 ON／OFF 兩個狀態看電流怎麼跑，然後把公式算過一遍，最後做一組鋰電池 3.7V 升 5V／1A 的 USB 輸出電源，順便把踩過的坑一起寫進來。

Boost 跟 Buck 差在哪？差在元件怎麼排

Boost 和 Buck 用的核心元件其實一模一樣，就是電感、MOSFET、二極體、電容這四樣。差別只在排列方式，而這個差別決定了後面所有的特性：

我自己的記法是看電感的位置：輸入端看到電感的就是 Boost，輸出端看到電感的就是 Buck。因為 Boost 的電感直接掛在輸入側，所以輸入電流是連續的、輸出電流反而是脈衝式的 —— 這一點跟 Buck 剛好反過來，也是後面「輸出漣波天生比較大」的根源。

Boost 到底怎麼把電壓撐上去

要搞懂 Boost，只要盯緊一件事：電感電流不能瞬間中斷。這條規則配上開關的切換，就自然逼出「輸出比輸入高」的結果。分成兩個階段看最清楚。

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：V_L = 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：V_L = 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。注意 Toff 那一段 —— 輸出端的能量是「Vin 加上電感自己吐出來的電壓」，所以輸出才會比輸入高。這也解釋了為什麼 Boost 的輸出電容幾乎要撐住整個 ON 期間的負載電流。

把電流畫成波形更直觀。我這個設計的電感電流是連續的（CCM），從 1.24A 爬到 1.86A 再降回來，永遠不會碰到底；如果負載很輕，電流會在週期結束前就歸零，那就是 DCM，輸出電容得撐得更辛苦：

設計前先把這幾個公式算一遍

Boost 的設計流程其實很短，公式就下面這幾條。我自己的習慣是先算 Duty，再算輸入電流與漣波，最後回頭挑電感與電容：

拿我這次的目標代入：Vin=3.7V、Vout=5V、Iout=1A、f_sw=1MHz、η=87%：

• D = 1 − (3.7×0.87)/5 = 0.356（35.6%）
• I_in = (5×1) / (3.7×0.87) ≈ 1.55A
• ΔI_L 取 0.4×1.55 = 0.62A：L ≥ (3.7×0.356) / (0.62×1M) ≈ 2.1μH → 選 2.2μH
• I_peak = 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

算完有一件事讓我印象很深：理想公式算出 D=0.26，但實際上要用 0.356。差額就是效率，因為輸出的能量有一部分被開關與二極體吃掉了。所以看到別人算出來的 Duty 跟你不一樣，先別懷疑自己算錯，先問他 η 代了多少。

常用的幾顆 Boost IC，我是這樣挑的

不想自己兜電路的話，這幾顆是最常見的選擇：

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%。我自己的抽屜裡永遠放了幾片 MT3608 模組當作打樣救火隊。

不過效率這件事要看清楚：規格寫 90%，那是特定條件下的最好表現。真正把它拆開來看，損失其實來自固定幾個地方：

實作：鋰電池 3.7V 升壓 5V USB 輸出

接著把上面算出來的東西兜成一組可以用的電源。我用的情境很普通：一顆 18650 供電，輸出一個 USB 座，能穩定推 1A。

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

回授那一對電阻最容易被當成小事。它的關係是 Vout = 0.6V × (1 + R₁/R₂)，我用 73.2kΩ 配 10kΩ 剛好落在 5V 附近；但只要電阻誤差大一點，輸出電壓就跟著跑掉，所以這兩顆我一律用 1%。

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。

我的判斷順序很簡單：先問輸出比輸入高還是低，再問輸入會不會跨過輸出。會跨過去的（例如電池 3.0~4.2V 要出 3.3V），就直接找 Buck-Boost，別硬用 Boost 再串 LDO，效率會很難看。

PCB 佈局：Boost 特別要注意的五件事

Boost 的佈局跟 Buck 有幾個關鍵差異。我的經驗是：Boost 只要佈局隨便，症狀就是「輸出漣波大、回授抖、負載一動就掉壓」，而且很難從電路圖上看出來：

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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

這幾種症狀我幾乎都遇過，順序照下面查通常五分鐘內就能定位：

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。

我自己回頭看這段學習路，最有用的三個觀念是：電感在輸入端（決定電流連續性）、Toff 時 Vin 與電感電壓串聯（決定升壓能力）、以及損失會被算進 Duty（所以公式裡的 η 不能省）。

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