Buck-Boost电路原理与设计指南
Buck-Boost电路原理与设计指南
一、Buck-Boost电路的基本原理
1、 基本概念
Buck-Boost转换器是一种能够同时实现升压和降压功能的直流-直流变换器。它与Buck（降压）和Boost（升压）转换器不同之处在于，其输出电压可以是正向或反向的，并且输出电压的绝对值可以大于或小于输入电压。
一般传统Buck-Boost转换器（反向）这里只记录反向、非反向Buck-Boost转换器（Sepic 和 Cuk 转换器）下次学习。
Buck-Boost电路是一种非常灵活的电源电路，能够处理输入电压波动较大的问题。
2、基本结构
Buck-Boost电路由以下元件构成：
- 开关器件（MOSFET）：控制能量传输。
- 二极管：提供续流路径。
- 电感（L）：储能元件。
- 电容（C）：滤波，稳定输出电压。
- 负载（R）：输出端。
二、工作原理
Buck-Boost电路的核心是一个开关（通常是MOSFET）、一个电感、一个二极管和一个输出滤波电容。通过控制开关的周期性导通和断开来调节输出电压。
反向Buck-Boost电路：
这种电路会将输入电压反向变换输出，即输出电压的极性与输入电压的极性相反。
工作过程：
1、导通阶段（充电过程）：
- 当开关导通时，输入电压通过电感L提供电流，电感L开始储存能量。
- 这时，电流通过二极管D流向输出电容器。由于电感器的特性，电流流动的方向开始改变。
- 输入端：电感直接接到电源两端，电感电流逐渐上升，此过程主要由输入电容供电。
- 输出端：输出电容依靠自身的放电为负载提供能量。
2、断开阶段（放电过程）：
- 当开关断开时，电感L中的储存能量通过二极管D传递到输出端，电感器的电流减小。
- 由于电感的电流保持不变，输出端的电压反向变化，反而变成了负值。
- 输入端：输入电源给输入电容充电。
- 输出端：由于电感的电流不能突变，电感通过续流二极管给输出电容及负载供电。
3、升压降压功能
系统稳定工作后，电感伏秒守恒。设T为周期，TON为导通时间，TOFF为关断时间，D为占空比（D=TON/T）。根据电感伏秒守恒原理，可以推导出输出电压与输入电压的关系：Vo=(-Vi)*D/(1-D)。其中，Vo为输出电压，Vi为输入电压，D为占空比。
- 当占空比D小于0.5时，输出电压低于输入电压，实现降压功能。
- 当占空比D大于0.5时，输出电压高于输入电压，实现升压功能。
4、计算公式
对于理想的Buck-Boost转换器，输出电压Vout与输入电压Vin 的关系可以通过以下公式计算：
D是占空比，即开关导通时间在整个周期中所占的比例。注意这里的负号表示输出电压的极性与输入电压相反。
5、Buck-Boost电路的工作模式
根据电感上的电流是否连续，Buck-Boost电路可以分为三种工作模式：
- 连续导通模式（CCM）：在每个周期内，电感电流都不会降至零。这种模式适用于高功率应用，因为输出电压更稳定，纹波较小。
- 临界导通模式（BCM）：电感电流恰好在每个周期结束时降为零。这是CCM和非连续导通模式之间的过渡状态。
- 非连续导通模式（DCM）：电感电流在每个周期内都会降至零一段时间。这种模式适合低功率应用，但输出电压纹波较大。
三、拓扑结构
Buck-Boost电路有几种常见的拓扑结构：非反向Buck-Boost电路、反向Buck-Boost电路
四、设计思路
1、元器件选择与设计
- 开关（S）：通常选用MOSFET，需考虑其导通电阻、开关速度等因素、输入电压与输出电压之和的电压、输入电流和输出电流的峰值。高频率有助于减小电感和电容的体积，但也会影响效率，设计时需要考虑。
- 电感（L）：电感的选择需要考虑电流能力和感量。
电流能力通常取1.5*(IIN+IOUT)以上，其中IIN为输入电流，IOUT为输出电流。
感量可以根据电路参数和电感伏秒守恒原理进行计算。 - 二极管（D）：应选择快速恢复和适当反向电压能力的器件或肖特基二极管，以减少开关损耗。如果使用同步整流，则选择适当的MOSFET作为“下管”。需要承受输入电压与输出电压之和的电压，因此其耐压值应选择大于该值，并留有一定的余量。电流能力需要满足输出电流的要求，并考虑一定的余量。
- 电容（C）：用于平滑输出电压，需根据输出电压纹波要求选择适当的电容值。输入电容和输出电容用于平滑电压波动，提供稳定的直流电压。电容值的选择需要根据电路的纹波电流和电压跌落进行计算。
- 调节反馈控制：控制电路使用反馈机制确保输出电压的稳定。
2、应用场合
- 需要负电压供电的场合：例如一些模拟电路（如运算放大器等）和特殊电源系统需要负电压供电。
- 一些要求低压电池提供负电源的应用。
例子：假设你有一个输入电压范围为4V至12V的电池电源，并且你需要提供稳定的5V输出电压。此时，可以选择Buck-Boost电路来保证无论电池电压在4V到12V之间如何波动，电路都能输出稳定的5V。
3、优缺点
优点：
- 能够处理输入电压大范围波动的情况。
- 输出电压稳定可靠，适合要求严格的应用。
- 设计较为简便，能够实现升压和降压两种功能。
缺点：
- 效率可能不如纯粹的Buck或Boost电路，尤其是在输入电压接近输出电压时。
- 需要设计和调节开关频率、滤波器等部分，设计较为复杂。
- 在负载变化较大的情况下，可能会产生较大的噪声。