BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^(guò)程解析

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在非隔離電源方案中，基礎(chǔ)拓?fù)涞腂uck、Boost、Buck-Boost電路中，前兩種已經(jīng)在前面章節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)描述。很多工程師對(duì)Buck和Boost電路都特別熟悉，只是對(duì)Buck-Boost不熟悉。

Buck表示降壓，Boost表示升壓，那么顧名思義，Buck-Boost表示升降壓。作為基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Buck-Boost電路雖然可以升降壓，但是輸出跟輸入比確實(shí)一個(gè)極性相反的電壓，即：產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓。

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?cè)敿?xì)討論理想條件下，Buck-Boost 的原理、元器件選擇、設(shè)計(jì)實(shí)例以及實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

電路原理

Buck-Boost電路簡(jiǎn)圖如圖1。

當(dāng)功率管Q1閉合時(shí)，電流的流向見(jiàn)圖2左側(cè)圖。

輸入端，電感L1直接接到電源兩端，此時(shí)電感電流逐漸上升。導(dǎo)通瞬態(tài)時(shí)di/dt很大，故此過(guò)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(dāng)功率管Q1關(guān)斷時(shí)，電流的流向見(jiàn)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(guò)續(xù)流管D1給輸出電容COUT及負(fù)載RL供電。

系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，電感伏秒守恒。Q1 導(dǎo)通時(shí)，電感電壓等于輸入端電壓VIN；Q1關(guān)斷時(shí)，電感電壓等于輸出端電壓VOUT。設(shè)T為周期，TON為導(dǎo)通時(shí)間，TOFF為關(guān)斷時(shí)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(shí)，輸出降壓；占空比大于0.5時(shí)，輸出升壓。以上式子只考慮電壓的絕對(duì)值，未考慮輸出電壓的方向。

元器件計(jì)算及各點(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)通時(shí)，電感的電壓等于輸入電壓，電感感量可由下式計(jì)算：

若按上述感量選擇電感，則流過(guò)電感的峰值電流：

實(shí)際應(yīng)用應(yīng)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(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管的陰極SW點(diǎn)電壓為VIN，續(xù)流二極管的陽(yáng)極電壓為-VOUT，故D1承受的電壓為：

當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，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(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，SW點(diǎn)電壓被鉗位到-VOUT，故功率MOS承受的最大電壓：

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，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(jì)算：

如果設(shè)CIN電容在MOS導(dǎo)通時(shí)，電壓跌落不超過(guò)ΔV1，則可用下式計(jì)算最小容量：

設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)算主要元器件參數(shù)。

解決步驟

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

2.計(jì)算輸入峰值電流：1.15*(1A+0.625A)=1.87A；

3.計(jì)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(jì)算10V時(shí)的占空比：D=5V/(5V+10V)=0.33；

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

7.計(jì)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(hào)；

10.假設(shè)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(shè)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(shí)際電路可參考下圖：

注意事項(xiàng)

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(duì)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(shí)際使用時(shí)要注意多留余量。