最近翻出一个吃灰的锂电手电筒灯珠没坏、电池也有电坏的是内部那颗专用升压芯片——市面上常见的MT3608、FP6291之类的升压方案坏了之后很难买到同型号替换。与其等快递我直接把手头的普通NPN三极管、电感、二极管和电容凑在一起在面包板上搭了一个三极管自激升压电路把3.7V锂电池提到了12V左右。这一搭不要紧整个下午都搭进去了从最开始的参数计算、绕电感、插面包板到后来用万用表一边测一边调最后还真把手电筒救活了。这篇文章就把整套过程完整记录下来包括怎么算电感、怎么绕反馈绕组、面包板上怎么连线才不容易出错以及我实测出来的电压、电流、效率数据。内容不挑人——刚接触三极管的电子爱好者能看懂老手也可以直接跳到最后几段看踩坑记录。整个电路不需要单片机、不需要专用PWM芯片成本算下来不到两块钱很适合用来理解“电感储能自激振荡三极管开关”这三件事是怎么配合的。1. 为什么还要搭一个三极管自激升压而不是直接买升压模块先说结论如果是为了量产产品我不建议用这种电路。三极管自激升压的效率上限摆在那带载能力弱输出纹波也不够干净。但从学习和救急的角度看它有一个不可替代的价值——把开关电源最核心的“储能-释放-整流”过程用最少的元器件摊开在你面前。1.1 这类电路的适用场景我做这个电路的原因是手电筒内部空间小原装升压芯片焊盘已经烧糊了塞一个现成升压模块进去放不下只有面包板上做出来的“裸奔版”能临时顶用。类似的情况还有手里只有锂电池但手头设备需要12V供电又来不及买模块想给3颗并联的白色LED供电灯珠工作电压在3.2V左右一节锂电池满电也只有4.2V用这个电路可以实现“低压点亮高VF灯珠”初学开关电源想用一个看得见、摸得着、坏了也心疼不到哪去的电路来验证电感公式。它的定位是“学习电路”和“应急电源”不是“高可靠量产方案”。1.2 单管自激与推挽自激的拓扑差异标题里写的是“三极管自激升压”但三极管自激升压其实有两大类一类是单管自激俗称焦耳小偷升压电路。它用一只NPN三极管、一个带中心抽头或者带反馈绕组的电感、一个电阻网络就够。结构简单但输出功率有限适合做小功率照明或给电容充电。另一类是双管推挽自激也就是罗耶振荡器。两只三极管交替导通正负半周都用上了磁芯利用率高输出功率可以做大适合几百毫瓦到几瓦的场合。我这次选择的是单管自激拓扑理由是它的正反馈回路更直观容易在面包板上调通。双管推挽虽然效率更高但对绕组同名端和两个管的参数对等性要求更苛刻新手在面包板上很容易搓不出来。1.3 三极管的导通、截止与放大状态在整个电路里各干一次活很多人在学三极管的时候纠结于“导通条件、截止条件、放大条件”这三个状态怎么判断。在这个自激电路里三极管的三个工作区域恰好各出现了一次启动瞬间三极管工作在放大区。基极有一个微弱偏置电流流过集电极电流开始从0往上爬电感里的磁场开始建立。正反馈建立后三极管迅速进入饱和区。集电极-发射极电压被压到0.2V左右电感两端几乎承担全部输入电压电流线性上升。当磁芯储能达到峰值反馈绕组电压翻转基极电流被抽走三极管又被强行拉回截止区。此时电感电流不能突变只能通过输出二极管向电容放电。这一轮“放大-饱和-截止”的循环就是自激振荡的本质。不需要外部时钟三极管自己就能完成开关动作。2. 参数计算先把电感和反馈绕组的账算明白自激升压电路的参数计算不像PWM芯片那样有现成的设计流程因为它的开关频率不是固定的而是由电感量、负载和基极驱动共同决定的。但“估算”不等于“瞎猜”下面这套基于伏秒平衡和能量守恒的估算路线能让我在动手绕电感之前就把大致范围确定下来。2.1 设计目标与效率假设我给自己定的目标是输入3.7V锂电池空载输出12V-14V带载能力不小于30mA输出功率大约360mW。按这种简易自激拓扑的常见水平先假设效率有60%左右。那么输入功率大概是P_in P_out / η 360mW / 0.6 600mW输入平均电流I_in P_in / V_in 0.6W / 3.7V ≈ 162mA这几个数字是所有后续计算的出发点。2.2 电感感值和峰值电流的估算路线开关电源里电感量的确定通常先估算占空比。非隔离升压电路的占空比近似公式是D (V_out - V_in) / V_out (12 - 3.7) / 12 ≈ 0.69这个0.69的意义是每个开关周期里约69%的时间用于给电感储能31%的时间用于向输出端释放能量。我假设开关频率在100kHz附近这个频率对9013这类小功率三极管是能承受的那么导通时间t_on D / f 0.69 / 100kHz 6.9µs电感电流纹波ΔI取平均输入电流的一倍左右也就是约0.3A。根据电感两端电压与电流变化率的关系L V_in × t_on / ΔI 3.7 × 6.9µs / 0.3A ≈ 85µH所以我取标称100µH到220µH之间都是合理的。考虑到自激电路关断速度没那么快实际绕出来的电感量往往会比计算值偏大我最终主绕组绕了20圈、实测电感量大约120µH。电感选型的第二件事是饱和电流。上面算出峰值电流大约在0.3A附近实际瞬间峰值可能到0.4A以上所以电感饱和电流至少要留1.5倍余量选0.5A以上的规格。2.3 基极电阻与启动偏置的取舍单管自激电路里有两个电阻容易让人头疼一个是反馈绕组到基极之间的R1一个是发射结上的启动偏置R2。R1负责在导通期间给三极管提供基极电流。反馈绕组匝数如果和主绕组一样多那么导通时反馈绕组上的感应电压大约等于输入电压3.7V。减去三极管发射结的0.7V压降R1取1kΩ时基极电流大约3mA。集电极峰值电流按0.3A算三极管的电流放大倍数需求是0.3A/3mA1009013或者S8050这种管子在小电流下都能满足。这是最基本的“用基极电流牵住集电极电流”的逻辑——基极电流给够了三极管才能稳定地呆在饱和区。R2的作用是启动。自激电路如果完全没有初始偏置上电瞬间三极管可能一直是截止的永远振不起来。R2从电源直接拉到基极给一个几十微安的预偏置电流把三极管从截止区撬进放大区。阻值通常取100kΩ到1MΩ我试下来100kΩ启动最干脆。有人可能会问R2这么大会不会和R1形成分压把基极电位拉低实测影响不大因为R1的阻抗远小于R2反馈电压主要落在R1上。2.4 输出二极管和电容的参数对照输出二极管建议选择肖特基管典型型号是1N5819。它的正向压降只有0.3V左右而普通整流管1N4007的正向导通压降有0.7V。在这个输出电压只有12V的电路里二极管压降多0.4V转换效率就会有明显差别。输出电容主要看耐压和ESR。我手头有一个100µF的电解电容耐压25VESR偏大实际测出来的纹波在几十毫伏到百毫伏级。如果想要更干净的输出可以再并在电容两端加一个0.1µF的陶瓷电容专门吸收高频开关毛刺。参数汇总如下表元件参数备注主绕组20T约120µH0.2mm漆包线绕制反馈绕组20T与主绕组同方向绕制NPN三极管S8050或9013要求hFE大于150R11kΩ反馈绕组到基极R2100kΩ启动偏置电阻D11N5819肖特基二极管C1100µF/25V电解电容输入3.7V锂电池实测使用186503. 面包板搭建流程从元件清点到通电顺序参数算完就该动手了。很多人在面包板上搭电路失败不是因为原理图看不懂而是因为没搞懂面包板内部金属条的连通规则导致地线和电源线接得七扭八歪电路接触不良。3.1 认识面包板内部结构和连线规则面包板中间有一条凹槽凹槽两侧各有一排五孔列。每一列五个孔内部是相通的但左右两边的列互不相通。上下两头各有两只长条电源轨按照红色线、蓝色线的分组分别作为电源正极和地线。连线时必须注意每根跳线尽量用单股硬线线径0.5mm左右最合适。多股软线容易扎不进孔或者一根细丝脱落造成短路。剥线长度控制在8mm左右太长了裸露在外的铜体容易碰到相邻引脚。三极管、电容这类有极性的元件先确认引脚方向再插。三极管三个引脚之间距离很近插的时候要顺着面包板的孔位走不要硬斜着插。如果使用集成电路要让它横跨凹槽摆放三极管和电感没有这个限制。3.2 元件引脚识别与插装顺序S8050和9013都是TO-92封装。把三极管平放、正面印字面朝向自己、引脚朝下常见的引脚排列是左边发射极E中间基极B右边集电极C。不过不同厂家的封装定义可能不一样最可靠的办法是用万用表二极管档实测——黑表笔接某一个脚红表笔分别接另外两脚若两次都显示导通压降0.6V左右说明黑表笔接的是基极基极对发射极的压降通常比基极对集电极的压降略高一点。插装顺序我建议按“先无源后三极管”插R2100kΩ从电源正极轨接到基极所在行。插R11kΩ从反馈绕组引脚接到基极所在行。插三极管确认基极、发射极、集电极三脚分别和R1、地、电感反馈回路的位置对应。插电感主绕组一端接电源正极另一端接三极管集电极反馈绕组一端接电源正极另一端接R1。插二极管阳极接三极管集电极阴极接输出电容正极。最后插输出电容负极接公共地。这样的顺序能保证每一个元件插下去时附近都有明确的电源接线路径不会出现插完一堆元件才发现有引脚悬空的情况。3.3 关键的电流回路走线这个电路有两组电流回路它们的走向完全不同储能回路电源正极 → 主绕组 → 三极管集电极 → 发射极 → 地。释放回路主绕组 → 二极管 → 输出电容 → 负载 → 地。两组回路共享“地”但输出大电流释放回路的路径应该尽量短。我测试时发现如果输出电容的负极隔着很远的跳线才回到三极管发射极输出纹波会明显变大本质上是因为“地”到“地”之间多了一截寄生电感和接触电阻。实操中可以让三极管的发射极、输出电容的负极、电源负极轨全部插在同一列或同一行再用一根短跳线接入负极轨这样三极管开关瞬间产生的脉冲电流路径是最短的。3.4 通电前的静态检查上电之前先花30秒做一次静态检查能省掉一大堆后续排查用万用表蜂鸣档测一下电源轨正负极之间有没有短路——很多新手把三极管C和E插反之后电源轨会直接短路。检查二极管方向。输出电容如果反接通电后会炸没有比这更伤心态的事了。检查反馈绕组是否接对了同名端——这一点最容易被忽略等会儿专门讲。确认无误后用两节18650电池座供电或者用可调电源限流到200mA再上电。我用的是可调电源限流值先设到100mA如果电路没有起振电流表读数会非常小如果三极管被直通电流会瞬间顶到电流上限马上断电查短路。4. 实测数据复盘空载、带载、纹波和温升搭好电路之后最兴奋的时刻就是接上万用表看输出电压。这里放一组我在面包板上实测的记录输入电压3.7V电感主绕组120µH反馈绕组与主绕组1:1R11kΩR2100kΩ输出电容100µF。4.1 空载与不同负载下的电压电流记录负载电阻输出电压输入电流P_outP_in估算效率空载14.6V14mA052mW—1kΩ12.4V58mA154mW215mW72%470Ω11.6V115mA286mW426mW67%240Ω10.8V182mA486mW673mW72%100Ω8.5V285mA723mW1055mW68%从数据上能很清楚地看出两个趋势第一空载输出特别高到了14.6V已经超出设计目标12V不少。这是因为自激振荡的空载占空比被反馈绕组“顶”得很高输出电容持续被充电直到肖特基二极管反向漏电和三极管漏电流达到平衡才停下来。如果后级接的是对电压敏感的电路空载高压是需要警惕的。第二带载之后输出电压迅速回落在100Ω负载下已经掉到8.5V。这说明这个电路的内阻比较大约等于“输出电感的储能上限”和“三极管开关能力”共同构成的一个等效电阻。带上30mA负载没问题但如果带100mA负载掉压现象就会明显影响使用。4.2 损耗主要落在哪几个元器件上从损耗角度看这几个地方的发热排序是三极管 电感磁芯 二极管。三极管的损耗主要来自导通期间的饱和压降和开关切换瞬间的交叠损耗。S8050在集电极电流0.3A时饱和压降大约0.3V功耗接近0.1W已经能感觉到温热。如果换成9013它允许的功耗更小同样的电流下会明显比S8050烫。所以这个电路里我优先推荐S8050。电感的磁芯损耗也不容小觑。我一开始用的是工字磁芯频率高了之后磁芯发热明显摸上去有40多度。后来换成了铁氧体磁环发热情况改善了不少。这说明“随便找个电感就能自激”的想法是对的但“电感质量不影响效率”就是错的。二极管损耗相对最小因为1N5819的正向导通压降只有0.3V导通时间又只占整个周期的30%左右。但如果你用1N4007替代输出电压会掉小半伏效率总会明显下跌两三成。4.3 面包板对高频升压电路的隐藏影响面包板在100kHz左右的开关频率下有很多隐形问题——接触电阻、触点电容、长导线电感都会影响实测数据。我特意做了个对比把最终调好的电路从面包板原样搬到洞洞板上焊接负载470Ω时输出电压从之前的11.6V提高到12.1V输入电流从115mA降到98mA效率提升了约7个百分点。这不是说面包板不能用而是要提醒你在面包板上测出来的数据和最终焊接版会有偏差。调试阶段这个偏差不影响判断逻辑但如果要追求复现别人数据就必须连“电路板载体”一起复现。面包板适合验证原理不适合做性能标定。5. 问题排查链路不起振、输出软、三极管发烫怎么查这个电路我在调试过程中至少排掉了四五个问题这里把排查链路完整写出来。不是直接给答案而是描述我一步步缩小范围的过程你在自己搭的时候可以参考同样的思路。5.1 不起振的第一件事不是换三极管有一次我换了一个手绕的电感通电后输出电压始终是0V万用表量集电极电压是3.7V说明三极管完全没导通。我的第一反应差点去换三极管后来冷静下来按顺序查查基极电压。R2从电源正极到基极如果基极电压为0说明R2虚焊或者面包板孔位没连通。查R1到基极的连接。反馈绕组产生的感应电压要经过R1才能进入基极R1如果插错列正反馈就断了。最后才查三极管本体。用二极管档量BE结和BC结正常应该都有0.6V左右的正向压降。结果问题出在电感反馈绕组的同名端接反了。反馈绕组两端对调之后上电瞬间基极得到一个正的感应电压电路立刻起振。这里解释一下为什么同名端反了就不工作主绕组电流增大时如果反馈绕组感应出来的电压方向是“基极偏负”那么它不但不会加大基极电流反而会把启动偏置抵消掉。三极管被死死摁在截止区整个正反馈回路变成一个负反馈回路。最典型的症状就是输入电流极小、输出电压为0。5.2 输出远低于预期的定位方法如果电压能起来但空载只有3-5V而不是预期的12V以上通常是三个原因主绕组匝数太少储能不足电感量可能只有几微亨。我试过用色环电感上的“拆机电感”直接接上去那种电感感值只有10µH左右空载也只能升到6V。解决办法是增加绕组匝数或者换一个大感值的电感。反馈绕组匝数相比主绕组太少基极驱动不足。反馈绕组从20T减到10T之后带载能力立刻下降。反馈绕组电压不够基极电流达不到让三极管深度饱和的水平三极管一直工作在放大区损耗剧增。输出二极管反向漏电严重。拆机到老肖特基或已击穿的二极管反向电阻变小输出电压根本蓄不住。排查时用万用表直流档测三极管集电极波形不太现实没有示波器的话但可以从“集电极平均电压”推断。集电极电压如果接近0V说明三极管导通时间太长接近输入电压说明导通时间太短。找到正确的占空比区间就能反推是驱动强了还是储能弱了。5.3 三极管发烫与电感啸叫的处理“发热”是最常见的异常现象但发热本身并不可怕可怕的是“发烫到不能碰”。我遇到两次发烫第一次是线圈绕反。三极管每一周期都进入放大区但无法饱和损耗成倍增加通电十几秒后管壳就烫手。解决办法就是纠正反馈绕组方向。第二次是负载太重。我把负载从240Ω换到100Ω输出电流需求上升三极管保持导通的时间变长饱和压降恒定损耗上升。这个属于物理限制不是故障。要么换更大功率的三极管要么降低负载需求要么接受更高的发热。电感啸叫是一个很有意思的伴生现象。当开关频率跌落到人耳可听范围20Hz-20kHz时线圈会发出“吱吱”声。常见诱因是磁芯饱和导致振荡频率大幅下降。把电感量加大或者把负载电流降下来频率回升到超声范围啸叫自然消失了。5.4 把万用表用到极限的几个土办法没有示波器时数字万用表也能干不少活用AC电压档测输出电容两端。数字万用表的AC档能粗略反映纹波相对大小。测到几百毫伏AC说明输出纹波已经很夸张测到十几毫伏说明输出还算干净。这个值不作为精确依据但足够判断“有没有问题”。用二极管档在线判断三极管是否被击穿。但注意在线测量会受周围电阻影响读数不准只能“对比判断”不能“绝对判断”。用电压档测反馈绕组两端。起振后反馈绕组两端应该有稳定的交流电压用DC档测会得到一个平均值。如果该电压几乎为零说明反馈回路开路了。6. 扩展玩法从固定升压到USB小夜灯、反压输出和稳压改造电路调通之后好玩的部分才开始。这个自激升压电路只要改几个元件就能变出好几种功能这里挑三个最实用的方向展开。6.1 反馈绕组同时能给单片机供电吗可以但不推荐直接给单片机供电。单片机的电源轨要求纹波在50mV以内而这个电路的输出纹波动辄百毫伏级直接供电会引发复位或ADC读数漂移。如果一定要用有两种相对靠谱的解法在输出后面加一个低压差线性稳压器比如HT7550或AMS1117-3.3。自激升压负责把3.7V提到7-9VLDO负责把纹波压平并且稳定到3.3V或5V。或者加一个RC滤波器和一只稳压二极管把比较干净的电压引到MCU的电源脚。注意这种方法带不了大电流MCU等小功耗场合勉强可用。6.2 想稳压就加LDO想恒流就换NPN加采样电阻如果你需要的不是“12V附近”而是“精确12V”最简单的方案是升压到14V左右再接一个12V的LDO或者稳压二极管并联稳压。但LDO压差大时发热也大只适合小电流。如果你需要的是恒流输出比如给LED供电可以直接把LED串接在输出回路上靠LED自身的负温度系数来限流或者用一只NPN三极管加采样电阻做成恒流源。具体做法是在输出负端串一个0.5Ω到1Ω的采样电阻电阻两端电压超过0.6V时让另一只三极管导通拉低驱动级形成恒流环路。6.3 改同名端方向就能做负压这个玩法很多人不知道把输出二极管反过来接输出电容也调换极性同时把反馈绕组的同名端方向做相应调整整个电路就能输出负压。原因在于电感释放能量时电流方向是固定的只要改变整流部分对地的参考方向就能把“输出电压”翻到地线以下。这也是很多老CRT电视里负压供电的来源。我就试过把同一个电路改出-9.6V输出给一个需要负压的小型运算放大器供电效果非常理想。如果你在做音频电路或者传感器电路需要一路对称电源这个技巧能省一块升压反压模块。最后说一个我个人的操作习惯每次绕完电感我都会用记号笔在反馈绕组的两个引脚上涂一小点漆一个涂红、一个不涂。这样换管子、换电阻的时候不用每次都拿万用表去量同名端。这个细节帮我省了很多时间也推荐你在自己玩的时候试试。