BUCK-BOOST電源原理及工作過程解析

引言?

BUCK-BOOST電路是一種常用的DC/DC變換電路，其輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓，但輸出電壓的極性與輸入電壓相反。下面我們詳細討論理想條件下，BUCK-BOOST 的原理、元器件選擇、設計實例以及實際應用中的注意事項。

電路原理?

BUCK-BOOST電路簡圖如圖1。

當功率管Q1閉合時，電流的流向見圖2左側(cè)圖。

輸入端，電感L1直接接到電源兩端，此時電感電流逐漸上升。導通瞬態(tài)時di/dt很大，故此過程中主要由輸入電容CIN供電。輸出端，COUT依靠自身的放電為RL提供能量。當功率管Q1關斷時，電流的流向見圖2右側(cè)圖。輸入端VIN給輸入電容充電。

輸出端，由于電感的電流不能突變，電感通過續(xù)流管D1給輸出電容COUT及負載RL供電。系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，電感伏秒守恒。Q1 導通時，電感電壓等于輸入端電壓VIN；Q1關斷時，電感電壓等于輸出端電壓VOUT。設T為周期，TON為導通時間，TOFF為關斷時間，D為占空比（D=TON/T），下同。由電感伏秒守恒有：

由此可得：?

占空比小于0.5時，輸出降壓；占空比大于0.5時，輸出升壓。以上式子只考慮電壓的絕對值，未考慮輸出電壓的方向。

元器件計算及各點波形（電感電流連續(xù)模式）?

以下均在電感電流連續(xù)模式下討論，即CCM。

首先我們先看一下各點理想情況下的波形：

電感 L1?

通常ΔI可以取0.3倍的IIN+IOUT，在導通時，電感的電壓等于輸入電壓，電感感量可由下式計算：

若按上述感量選擇電感，則流過電感的峰值電流：

實際應用應留有一定的余量，電感的電流能力通常取1.5*（IIN+IOUT）以上

續(xù)流二極管D1?

當Q1導通時，續(xù)流二極管的陰極SW點電壓為VIN，續(xù)流二極管的陽極電壓為-VOUT，故D1承受的電壓為：

當Q1關斷時，續(xù)流二極管續(xù)流，電流的峰值為ILPEAK，平均電流為IOUT。

由于二極管在高溫下漏電容易造成芯片的損壞，故通常要留有一定的余量，其中電壓建議1.5倍的余量。

功率管Q1

當Q1關斷時，SW點電壓被鉗位到-VOUT，故功率MOS承受的最大電壓：

當Q1導通時，Q1的電流峰值為ILPEAK，平均電流為IIN。

輸入電容

輸入電容紋波電流有效值可用下式計算：

如果設CIN電容在MOS導通時，電壓跌落不超過ΔV1，則可用下式計算最小容量：

設計實例?

要求

輸入電壓10～14V，輸出電壓-5V，輸出電流1A，選取合適的芯片，并計算主要元器件參數(shù)。

解決步驟?

1.計算輸入電流：輸出功率約5W，輸入最大電流，假設80%的效率，則輸入電流為 5W/0.8/10V=0.625A；：

2.計算輸入峰值電流：1.15*(1A+0.625A)=1.87A；

3.計算功率管、續(xù)流肖特基管峰值電壓：|-5V|+|14V|=29V；

4.選擇合適的芯片，可選耐壓為40V左右，電流能力大于2A以上的BUCK降壓芯片，此處選擇XL4201；

5.計算10V時的占空比：D=5V/(5V+10V)=0.33；

6.計算電感量：L=0.33*10V/(0.3*150KHz*(1A+0.625A))=45uH；

7.計算最小電流能力IL=1.5*(1A+0.625A)=2.44A，選用47uh/3 電感；

8.肖特基二極管耐壓要大于29V，平均電流1A，峰值電流約1.87A，可選SS36；

9.輸入電容紋波電流有效值：ICINRMS=0.625A*sqrt((1-0.33)/0.33)=0.89A，“sqrt”代表根號；

10.假設輸入電壓最大跌落0.05V，則CIN=(1-0.33)*0.625A/(0.05V*150KHz)=56uF，選用47uF電解電容；

11.輸出電容紋波電流有效值：ICOUTRMS=1A*sqrt(0.33/(1-0.33))=0.70A；

12.假設輸出放電電壓最大跌落0.05V，則COUT=0.33*1A/(0.05V*150KHz)=44uF，選用100uF電解電容。

實際電路可參考下圖：

注意事項?

1. 芯片與肖特基二極管D1的耐壓均要大于輸入電壓與輸出電壓絕對值之和；

2. CINB與C1為芯片提供純凈電源，CINB可以選用10uF以上電容即可；

3. 芯片的GND引腳與輸入、輸出功率地不是同一屬性，注意區(qū)分；

4. BUCK-BOOST電路的效率要低于單純的BUCK或BOOST電路，實際使用時要注意多留余量。

在非隔離電源方案中，Buck、Boost、Buck-Boost電路應用非常廣，很多工程師對這三種電路非常熟。下面介紹四開關Buck-Boost電路。

常規(guī)的Buck-Boost電路，Vo=-Vin*D/(1-D)，輸出電壓的極性和輸入電壓相反。

簡要的四開關Buck-Boost電路，Vo=Vin*D/(1-D)，輸出電壓的極性與輸入電壓相同。

四開關buck-boost的拓撲很簡單，如下圖。

對于四開關buck-boost，它本身有一種非常傳統(tǒng)簡單的控制方式。

那就是Q1和Q3同時工作，Q2和Q4同時工作。并且兩組MOS交替導通，如上圖。

如果把Q2和Q4換成二極管，那么也是同樣能工作，只不過沒有同步整流而已。

對于這種控制方式，在CCM情況下我們可以得到公式：

Vin*D=Vout（1-D）也就是說，Vout=Vin*D/(1-D). ?這個電壓轉(zhuǎn)換比和我們常見的buck-boost是一樣的。

只不過常見的buck-boost的輸出電壓是負壓，而四開關輸出的是正壓。

但是這種控制方式的優(yōu)點是簡單，沒有模態(tài)切換。但是缺點是，四個管子都在一直工作，損耗大，共模噪音也大。?

基于傳統(tǒng)控制方式的缺點。多年前，一家知名的IC公司推出了一款控制IC，革新了這個拓撲的控制方式。

其思路就是當Vin〉Vout的時候，把這個拓撲當純粹的BUCK來用，當Vin

但是，這種思路本身沒什么奇特之處。真正有技術含量的是，當VIn=Vout的時候，采用怎么樣的控制方式？

從buck過渡到中間模態(tài)，再過渡到boost的時候，如何做到無縫切換？?這幾個問題，后來成為各家IC公司，大開腦洞，爭奪知識產(chǎn)權的戰(zhàn)場。

接下來，我來介紹某特公司的IC的控制邏輯。

先假設輸出為固定的12V，輸入假設為一個電池，充滿電電壓為16V，放電結(jié)束電壓為8V。

那么從輸入16V開始，此時的工作狀態(tài)顯然是BUCK

那么四個管子的驅(qū)動信號如下圖

那么當輸入電池電壓逐漸開始降低，M1的占空比也逐漸開始增大，而M2的占空比開始減小。

此時M2的占空比是個關鍵的參數(shù)。

因為IC內(nèi)部對M2的脈寬有個最小設定，假如說是200ns。

那么現(xiàn)在假設輸入電壓掉到12.5V，而M2的脈寬也收縮到了200ns。IC內(nèi)部的邏輯電路就認為到了模態(tài)切換的時候了。

此時發(fā)生的變化是，M3和M4兩個管子不再是常關和常通的狀態(tài)，而是開始開關了。

如果我們把上圖進行分解，就會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，就是在一個clock周期里面，前半周期是buck，后半周期是boost

這個時候boost切進去的時候，M3是以最小占空比切入的，而且該占空比不可調(diào)。

此時M2的占空比則會從最小突然展寬以抵消boost模特切入的影響。在這個時候，輸出會產(chǎn)生一個動態(tài)效應。

那么當輸入繼續(xù)下降的時候，M2的占空比會繼續(xù)減小。

那么當M2再度回到最小占空比的時候，IC內(nèi)部邏輯電路會認為模態(tài)需要再次轉(zhuǎn)換了。

此時，M2將固定在最小占空比，而M3則開始跳出最小占空比，可以逐漸展寬。理論上來說，這個過渡應該是完全無縫的切換，

但是由于芯片內(nèi)部的clock時序的切換，也會對輸出造成一種動態(tài)效應。

這個時候，變成了前半周期是boost，后半周期是buck。

同樣，當輸入電壓繼續(xù)降低的時候，電路會切入完全的boost模態(tài)。

審核編輯：劉清