BUCK－BOOST 拓扑电源原理及工作过程解析

在非隔离电源方案中，基础拓扑的Buck、Boost、Buck-Boost电路中，前两种已经在前面章节进行了详细描述。很多工程师对Buck和Boost电路都特别熟悉，只是对Buck-Boost不熟悉。

Buck表示降压，Boost表示升压，那么顾名思义，Buck-Boost表示升降压。作为基本拓扑结构的Buck-Boost电路虽然可以升降压，但是输出跟输入比确实一个极性相反的电压，即：产生一个负压。

Buck-Boost电路是一种常用的DC/DC变换电路，其输出电压既可低于也可高于输入电压，但输出电压的极性与输入电压相反。下面我们详细讨论理想条件下，Buck-Boost 的原理、元器件选择、设计实例以及实际应用中的注意事项。

电路原理

Buck-Boost电路简图如图1。

当功率管Q1闭合时，电流的流向见图2左侧图。

输入端，电感L1直接接到电源两端，此时电感电流逐渐上升。导通瞬态时di/dt很大，故此过程中主要由输入电容CIN供电。输出端，COUT依靠自身的放电为RL提供能量。当功率管Q1关断时，电流的流向见图2右侧图。输入端VIN给输入电容充电。输出端，由于电感的电流不能突变，电感通过续流管D1给输出电容COUT及负载RL供电。

系统稳定工作后，电感伏秒守恒。Q1 导通时，电感电压等于输入端电压VIN；Q1关断时，电感电压等于输出端电压VOUT。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），下同。由电感伏秒守恒有：

由此可得：

占空比小于0.5时，输出降压；占空比大于0.5时，输出升压。以上式子只考虑电压的绝对值，未考虑输出电压的方向。

元器件计算及各点波形（电感电流连续模式）

以下均在电感电流连续模式下讨论，即CCM。

首先我们先看一下各点理想情况下的波形：

电感 L1

通常ΔI可以取0.3倍的IIN+IOUT，在导通时，电感的电压等于输入电压，电感感量可由下式计算：



若按上述感量选择电感，则流过电感的峰值电流：



实际应用应留有一定的余量，电感的电流能力通常取1.5*（IIN+IOUT）以上

续流二极管D1

当Q1导通时，续流二极管的阴极SW点电压为VIN，续流二极管的阳极电压为-VOUT，故D1承受的电压为：



当Q1关断时，续流二极管续流，电流的峰值为ILPEAK，平均电流为IOUT。

由于二极管在高温下漏电容易造成芯片的损坏，故通常要留有一定的余量，其中电压建议1.5倍的余量。

功率管Q1

当Q1关断时，SW点电压被钳位到-VOUT，故功率MOS承受的最大电压：



当Q1导通时，Q1的电流峰值为ILPEAK，平均电流为IIN。

输入电容

输入电容纹波电流有效值可用下式计算：



如果设CIN电容在MOS导通时，电压跌落不超过ΔV1，则可用下式计算最小容量：



设计实例

要求

输入电压10～14V，输出电压-5V，输出电流1A，选取合适的芯片，并计算主要元器件参数。

解决步骤

1.计算输入电流：输出功率约5W，输入最大电流，假设80%的效率，则输入电流为 5W/0.8/10V=0.625A；：
2.计算输入峰值电流：1.15*(1A+0.625A)=1.87A；
3.计算功率管、续流肖特基管峰值电压：|-5V|+|14V|=29V；
4.选择合适的芯片，可选耐压为40V左右，电流能力大于2A以上的BUCK降压芯片，此处选择XL4201；
5.计算10V时的占空比：D=5V/(5V+10V)=0.33；
6.计算电感量：L=0.33*10V/(0.3*150KHz*(1A+0.625A))=45uH；
7.计算最小电流能力IL=1.5*(1A+0.625A)=2.44A，选用47uh/3 电感；
8.肖特基二极管耐压要大于29V，平均电流1A，峰值电流约1.87A，可选SS36；
9.输入电容纹波电流有效值：ICINRMS=0.625A*sqrt((1-0.33)/0.33)=0.89A，“sqrt”代表根号；
10.假设输入电压最大跌落0.05V，则CIN=(1-0.33)*0.625A/(0.05V*150KHz)=56uF，选用47uF电解电容；
11.输出电容纹波电流有效值：ICOUTRMS=1A*sqrt(0.33/(1-0.33))=0.70A；
12.假设输出放电电压最大跌落0.05V，则COUT=0.33*1A/(0.05V*150KHz)=44uF，选用100uF电解电容。

实际电路可参考下图：

注意事项

1. 芯片与肖特基二极管D1的耐压均要大于输入电压与输出电压绝对值之和；
2. CINB与C1为芯片提供纯净电源，CINB可以选用10uF以上电容即可；
3. 芯片的GND引脚与输入、输出功率地不是同一属性，注意区分；
4. BUCK-BOOST电路的效率要低于单纯的BUCK或BOOST电路，实际使用时要注意多留余量。