开关电源基础拓扑：Boost、Buck与Buck-Boost工作原理详解
开关电源基础拓扑：Boost、Buck与Buck-Boost工作原理详解
在开关电源设计中，Boost、Buck和Buck-Boost是最常见的三种非隔离型拓扑结构。它们分别实现升压、降压和升降压功能，在各种电子设备中都有广泛应用。本文将详细介绍这三种拓扑的工作原理和公式推导，帮助读者深入理解其工作特性。
Boost工作原理和公式推导
Boost电路是一种升压电路，其工作模态分为两种：MOS管导通和MOS管截止。
模态一：MOS管导通
当MOS管导通时，输入电压Vi给升压电感充电。此时二极管正极接地、负极接输出，无法形成压差，因此处于截止状态。输出由输出电容提供能量。
模态二：MOS管关断
当MOS管截止时，升压电感由于电感特性，电流不能突变，将继续流向右侧。此时二极管导通。输出电压等于输入电压Vi与电感电压VL之和，从而实现升压。
通过两个工作模态的变化过程，根据伏秒积平衡原理，可以计算输入电压和输出电压的关系：
模态一：升压电感充电过程的伏秒积为 (V_i \cdot D \cdot T)
模态二：升压电感放电过程的伏秒积为 ((V_o - V_i) \cdot (1 - D) \cdot T)
由伏秒积平衡可得：
[V_i \cdot D \cdot T = (V_o - V_i) \cdot (1 - D) \cdot T]
解得：
[V_o = \frac{V_i}{1 - D}]
若考虑二极管管压降Vd，则：
[V_o = \frac{V_i}{1 - D} - V_d]
Buck工作原理和公式推导
Buck电路是一种降压电路，其工作模态也分为两种：MOS管导通和MOS管截止。
模态一：MOS管导通
当MOS管导通时，二极管反向截止。输入电压Vi为电感充电，同时为输出滤波电容和负载供电。
模态二：MOS管截止
当MOS管截止时，电感电流通过二极管续流，结合输出滤波电容为输出负载供电。
通过两个工作模态的变化过程，根据伏秒积平衡原理，可以计算输入电压和输出电压的关系：
模态一：电感充电过程的伏秒积为 ((V_i - V_o) \cdot D \cdot T)
模态二：电感放电过程的伏秒积为 (V_o \cdot (1 - D) \cdot T)
由伏秒积平衡可得：
[(V_i - V_o) \cdot D \cdot T = V_o \cdot (1 - D) \cdot T]
解得：
[V_o = V_i \cdot D]
若考虑二极管管压降Vd，则：
[V_o = (V_i + V_d) \cdot D - V_d]
Buck-Boost工作原理和公式推导
Buck-Boost电路是一种升降压电路，其工作模态同样分为两种：MOS管导通和MOS管截止。
模态一：MOS管导通
当MOS管导通时，二极管截止。输入电压Vi为电感充电，但电流无法形成回路，因此输出由输出电容供电。
模态二：MOS管截止
当MOS管截止时，电感电流通过二极管续流，为输出滤波电容和负载供电。
通过两个工作模态的变化过程，根据伏秒积平衡原理，可以计算输入电压和输出电压的关系：
模态一：电感充电过程的伏秒积为 (V_i \cdot D \cdot T)
模态二：电感放电过程的伏秒积为 (V_o \cdot (1 - D) \cdot T)
由伏秒积平衡可得：
[V_i \cdot D \cdot T = V_o \cdot (1 - D) \cdot T]
由于输出为负，解得：
[V_o = -\frac{V_i \cdot D}{1 - D}]
若考虑二极管管压降Vd，则：
[V_o = -\frac{V_i \cdot D}{1 - D} - V_d]
拓展
同步整流：将拓扑中的二极管更换为MOS管，并加入控制，可以减小二极管管压降带来的损耗，提高效率。
工作模式：上述讨论的均为非同步的Buck、Boost、Buck-Boost拓扑。这些拓扑还可以工作在BCM（临界导通模式）和DCM（非连续导通模式）。不同工作模式下，工作模态、输入输出电压关系以及应用场景均有区别。
对于DCM模式的详细分析，可以参考以下链接：