BUCK-BOOST 拓扑电路浅析
发表时间：2025-04-23 浏览次数：0
引言
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。
BUCK-BOOST 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：
VIN*Ton=VOUT*TOFF
VIN*D*T=VOUT*(1-D)*T
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。
BUCK-BOOST 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：
VD=|VIN|+|VOUT|
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：
VMOS=|VIN|+|VOUT|
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：
输出电容
输出电容纹波电流有效值可用下式计算：
如果设 COUT 电容在 MOS 导通时，电压跌落不超过ΔV2，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|=19V；
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。
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。
BUCK-BOOST 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：
VIN*Ton=VOUT*TOFF
VIN*D*T=VOUT*(1-D)*T
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。
BUCK-BOOST 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：
VD=|VIN|+|VOUT|
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：
VMOS=|VIN|+|VOUT|
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：
输出电容
输出电容纹波电流有效值可用下式计算：
如果设 COUT 电容在 MOS 导通时，电压跌落不超过ΔV2，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|=19V；
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。
