开关电源Buck-Boost电路原理分析

CHANBAEK 2023-11-27 29392

描述

1 、Buck-Boost电路原理

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，输出电压极性即可以为正电压也可以为负电压。

1.1 反极性Buck-Boost电路

最简单的Buck-Boost电路简图如下图所示，电路分别由开关管S、二极管D、电感L、输出电容C、负载R组成：

Buck-Boost

开关管导通时，S相当于短路，电感L直接接到电源两端，由于电感电流不能突变（变大），电感会产生反向电动势阻止电流变大，电感电压极性为上正下负，此时，二极管D处于截止状态，相当于断路，如图所示。此时电感在充电，电感两端电压VL=Vin，电流随着时间不断变大；负载由输出电容供电，电容放电，其两端电压即输出电压随着时间不断减小。当开关管导通时，示意图见下图。

Buck-Boost

开关管关闭时，相当于断路，电感L两端电流变小，但电感电流不能突变，电感会产生反向电电动势，电感电压极性为上负下正，电感放电，此时二极管导通，电感为负载供电，给输出电容充电，电感两端电压为VL=Vout。当开关管关闭时，电路示意图见下图。由图可知，负载两端电压即输出电压极性与输入电压极性相反。

Buck-Boost

开关管导通时，电感电压等于输入端电压VIN；开关管关断时，电感电压等于输出端电压VOUT。设TS为周期，TON为导通时间，TOFF为关断时间，D为占空比（D=Ton/TS）。

根据伏秒平衡定律：

VLTon = VLToff

Vin Ton = VoutToff Vin Ton = Vout (TS-Ton)

Vout = D/（1-D）*Vin

D = Vout/(Vout+Vin)

由上述公式可知：占空比小于0.5时，输出降压；占空比大于0.5时，输出升压。

通常现在使用的芯片集成度已经比较高，进行电路设计时重点在于外围电路选型比如电感、输出电容等，开关管和二极管一般集成在芯片内部。

1.2 同极性Buck-Boost电路

如下图所示，与1.1节描述的反极性电路相比，这是真正意义上的Buck电路加Boost电路。通过控制开关管S1、S2来实现电路工作在BUCK模式和BOOST模式从而实现升降压。

Buck-Boost

2、同步Buck-Boost电路原理

由1.2节介绍可知，电路存在两个二极管，对于高效率需求并不友好，因此现在通常选用同步Buck-Boost电路，将两个二极管使用两个开关管来代替，即四开关管Buck-Boost电路，如下图所示。

Buck-Boost

四开关同步Buck-Boost电源内部控制电路控制开关管周期性导通或断开，通过调节开关管状态（如占空比等），控制输出电压的大小。其基本原理是通过严格控制开关电路的导通和截止时间，实现对输出电压的有效调节，从而达到降压和升压的目的。

2.1 Buck 模式

当输入电压远大于输出电压时，电源IC工作在降压模式。即S4处于常闭、S3处于常开，通过驱动S1和S2周期性地导通关闭，如下图所示，此时电路为同步Buck电路结构，即和Buck电路工作方式相同。当S1 闭合、S2断开时，电流流向示意图如红色虚线所示，当S1断开、S2闭合时，电流流向示意图如蓝色虚线所示。

Buck-Boost

2.2 Boost 模式

当输入电压远小于输出电压时，电源IC工作在升压模式。即S1处于常闭、S2处于常开状态，通过驱动S3和S4周期性地导通关闭，如下图所示，此时电路为同步Boost电路结构，即和Boost电路工作方式相同。当S4 闭合、S3断开时，电流流向示意图如红色虚线所示，当S4断开、S3闭合时，电流流向示意图如蓝色虚线所示。

Buck-Boost

2.3 Buck- Boost 模式

当输入电压和输出电压相近时，电源IC工作在Buck- Boost模式。假设工作在Buck模式时，当Vin下降接近Vout，达到Buck模式最大占空比时，电路会自动将开关管工作状态切换到Buck- Boost 模式。假设工作在Boost模式时，Vin增大接近Vout，达到Boost最小占空比时，电路会自动将开关管工作状态切换到Buck- Boost 模式。在Buck- Boost 模式下，四个开关管会同时进行导通/关闭操作。此模式是一种过度和自适应模式，工作状态切换主要是由占空比决定。

小结: Buck-Boost电路是通过调节开关的占空比和开关频率，以调节输出电压来实现升降压。Buck-Boost电路包含控制电路来监测输出电压以相应地调节开关状态，以保证输出电压稳定。控制电路通常包括误差放大器、信号发生器等。

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