BUCK-BOOST电路原理

一、BUCK-BOOST电路的基本概念

BUCK-BOOST电路是一种直流-直流（DC-DC）转换器，能够实现输入电压的升压或降压输出。也就是说，无论输入电压高于、低于还是等于输出电压，BUCK-BOOST电路都能提供稳定的输出电压。这使得它在电源管理中非常灵活，适用于电池供电、太阳能系统等场景。

BUCK-BOOST原理图

关键特性：

输入电压范围广：可以处理输入电压高于或低于输出电压的情况。
输出电压极性：传统BUCK-BOOST电路的输出电压通常是负的（相对于输入），但通过改进设计（如非隔离或隔离型）可以实现正输出。
效率：依赖于开关频率、元件选择和负载条件，通常在70%-95%之间。

二、电路的基本结构

BUCK-BOOST电路的核心是一个开关电源拓扑结构，通常包含以下元件：

开关元件（Q）：如MOSFET或BJT，用于控制能量传输。
电感（L）：储存和释放能量。
二极管（D）：提供电流单向导通路径。
电容（C）：平滑输出电压。
负载（R）：接收输出能量。

在实际设计中，开关通常由PWM（脉宽调制）信号控制，二极管也可以替换为同步整流MOSFET以提高效率。

三、工作原理

BUCK-BOOST电路通过开关的导通和关断控制电感中的能量流动，从而调节输出电压。其工作分为两个主要阶段：

1. 开关导通（ON状态）

电流路径：输入电压通过开关Q流向电感L，电感储存能量，电流线性增加。
电感电压：VL = Vin（忽略开关压降）。
输出端：此时二极管D反向偏置，电容C向负载供电，输出电压由电容维持。
能量变化：电感磁场能量增加。

开关导通（ON状态）

2. 开关关断（OFF状态）

电流路径：开关断开后，电感L中的电流无法突变，通过二极管D流向输出端和电容C。
电感电压：VL = -Vout（忽略二极管压降），电感释放能量。
输出端：电感向电容充电并为负载供电。
能量变化：电感磁场能量减少。

开关关断（OFF状态）

3. 占空比（Duty Cycle, D）与电压关系

输出电压与输入电压的关系由占空比决定：其中 $V_{out}=-V_{in}\cdot \frac{D}{1-D}$ ：

D 是开关导通时间占整个周期的比例（0 < D < 1）。
输出电压为负，幅度由D D D调节：
- 当D<0.5 ， ∣Vout∣<Vin（降压）。
- 当D>0.5 ， ∣Vout∣>Vin（升压）。
- 当D=0.5 ， ∣Vout∣=Vin。

四、工作模式

BUCK-BOOST电路根据电感电流的连续性分为两种模式：

连续导通模式（CCM）：
- 电感电流始终不为零，适用于较大负载。
- 输出电压纹波较小，效率较高。

连续导通模式下电流和电压波形

断续导通模式（DCM）：
- 电感电流在开关周期内降至零，适用于轻载。
- 输出纹波较大，设计需考虑额外控制。

断续导通模式下电流和电压波形

模式的选择取决于电感值、开关频率和负载电流。

五、优缺点

优点：

输入电压范围宽，适应性强。
电路结构简单，元件较少。
可实现升降压功能。

缺点：

输出电压为负（传统拓扑），需额外设计实现正输出。
开关和二极管承受较大电压应力（Vin + Vout）。
效率可能低于专用BUCK或BOOST电路。

六、改进与变种

正输出BUCK-BOOST：
- 使用四开关拓扑（如H桥）或变压器隔离实现正输出。
同步整流：
- 用MOSFET替换二极管，减少导通损耗。
SEPIC电路：
- 一种改进型BUCK-BOOST，提供正输出且输入输出共地。
Cuk电路：
- 另一种变种，输出负电压，但纹波更小。

七、应用场景

电池供电设备：
- 如手机、笔记本电脑，电池电压随放电变化，BUCK-BOOST确保稳定输出。
太阳能系统：
- 光伏电压波动大，需升降压调节。
汽车电子：
- 处理12V电池在启动或充电时的电压变化。
便携式充电器：
- 适配不同输入输出需求。