BUCK-BOOST

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前言

最近需要用到buck-boost相關(guān)的電路知識(shí)，于是便寫下這篇文章復(fù)習(xí)一下。

一、DC-DC

在學(xué)習(xí)buck-boost電路之前我們先來看一下DC-DC，相信有不少同學(xué)都畫過穩(wěn)壓電路，DC-DC電源
叫直流-直流變換器。就是將一個(gè)直流電壓變成另一個(gè)的直流降壓，比如常見的12V轉(zhuǎn)5V,24V轉(zhuǎn)12V等等。也叫直流斬波器。就是我們在電力電子課上說的升壓斬波，降壓斬波等等。DC-DC有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。BUCK降壓，BOOST升壓，BUCK-BOOST升降壓三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
斬波器的工作方式我們通常分為兩種 一種是PWM的定頻調(diào)寬。即脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變Ton(通用),還有一種就是定寬調(diào)頻。即頻率調(diào)制方式Ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。通過這兩種方式來控制電路開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。通常我們都是用單片機(jī)控制PWM然后進(jìn)行控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。

工作模式

CCM：電感電流連續(xù)工作模式

DCM：電感電流不連續(xù)工作模式

BCM：電感電流連續(xù)工作模式（周期結(jié)束時(shí)電感電流剛好降為0）

看電感電流是否連續(xù)可以從每個(gè)周期的電感電流是否從0開始來判斷。

電容電感特性

電容阻礙電壓變化，通高頻，阻低頻，通交流，阻直流;

電感阻礙電流變化，通低頻，阻高頻，通直流，阻交流;

伏秒積平衡原理

伏秒積,即電感兩端的電壓V和這段時(shí)間T的乘積。伏秒平衡原理：在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值。即：
UonTon=Uoff*Toff
在開關(guān)電源穩(wěn)定的狀態(tài)下，電感的充放電屬于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，開關(guān)管導(dǎo)通期間流入電感的電流也等于開關(guān)管關(guān)閉期間流過電感的電流Ion=Ioff。

二、BUCK電路

Buck變換器，也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。單管：續(xù)流二極管。作用是續(xù)流，在BUCK電路中，二極管D形成了續(xù)流回路，因此D也叫作續(xù)流二極管。不隔離：輸入輸出在同一個(gè)閉環(huán)電路中，沒有變壓器元器件將它們隔離開。如圖，這是最基本的BUCK電路。

晶體管Q1起開關(guān)作用，可以導(dǎo)通和關(guān)斷電流。常見的開關(guān)管有三極管，MOSFET等等。但是這個(gè)開關(guān)管受電路輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖控制。不能用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)。
PWM信號(hào)，信號(hào)周期為Ts，則信號(hào)頻率為f=1/Ts，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，關(guān)斷時(shí)間為Toff，則周期Ts=Ton+Toff，占空比D=Ton/Ts。就是你在單片機(jī)里學(xué)的高電平占總電平的時(shí)間。
這里的電容C1作為濾波電容可以降低輸出電壓的脈動(dòng)。
如圖，當(dāng)Q1導(dǎo)通的時(shí)候，二極管截止，此時(shí)電流就要經(jīng)過電感，然后流向負(fù)載R1。電感中的電流在線性增長的同時(shí)會(huì)發(fā)生自感,自感就又會(huì)阻礙電流的上升。電感就將電能轉(zhuǎn)換為磁能儲(chǔ)存起來了，此時(shí)自感電勢的方向左正右負(fù)。（二極管正向?qū)?#xff0c;反向截至）

當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，就沒有電流流向電感了。但是電感電流不會(huì)突變?yōu)?，而是在慢慢的減少，由于電感阻礙電流變化，所以這時(shí)候就產(chǎn)生了左負(fù)右正的自感電勢，使得二極管D1導(dǎo)通。電流在減少的同時(shí)，L中之前存儲(chǔ)的磁能就轉(zhuǎn)化為電能釋放出來給負(fù)載R。

在CCM工作模式（電感電流連續(xù)工作模式）下時(shí)，電感足夠大。
首先在導(dǎo)通期間，電感電壓UL=Ui-Uo，電感的電流會(huì)從最小值上升到最大值,電流增量(Us即Ui)

當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，電感的電壓UL=-Uo。電感電流就從最大值下降到最小值。電流減少量

如果BUCK電路是一個(gè)穩(wěn)定的電路，它就會(huì)保持的穩(wěn)定的開關(guān)管的通斷，開關(guān)管導(dǎo)通期間流入電感的電流等于開關(guān)管關(guān)閉期間流過電感的電流，即

整理之后就是下面這個(gè)值

根據(jù)上式可以得到，我們這個(gè)輸出電壓是輸入電壓在乘以占空比，即開關(guān)管打開的時(shí)間Ton/周期Ts。又因?yàn)門on≠Ts，所以輸出電壓的一定是小于輸入的電壓，這也就是BUCK電路的原理，而且輸出電壓的大小是可以操控，我們可以通過改變PWM波的占空比來控制輸出電壓的值。

在DCM的工作模式下，也有Uo=UiD。此模式就是電感比較小，負(fù)載比較大。周期Ts比較長的情況，電感電流已經(jīng)降為0了，但是新的周期還沒開始。所以每個(gè)新的周期電感電流都是從0開始線性增加的。這種模式下，電感的電流是有三種狀態(tài)的：線性增加、線性減少、閑置（=0）

DCM工作模式下會(huì)使電路帶載能力降低，穩(wěn)壓精度變差，紋波電壓大。所以通常要求BUCK電路在CCM工作模式下工作。當(dāng)然，也存在一種臨界條件，就是當(dāng)一個(gè)周期剛好結(jié)束的時(shí)候，電感的電流也剛好減小為0，這種模式稱為BCM。

電路在開關(guān)電源穩(wěn)定的狀態(tài)下，開關(guān)管導(dǎo)通期間流入電感的電流也等于開關(guān)管關(guān)閉期間流過電感的電流,，且滿足伏秒平衡原理：即(Ui-Uo)TD=Uo(Ts-TD)

可以算出來Vout=DVin

三、BOOST電路

Boost變換器也稱升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。開關(guān)管Q也為PWM控制方式，但最大占空比D必須小于1，不允許在Dy=1的狀態(tài)下工作。電感L1在輸入側(cè)，稱為升壓電感。Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式。這是最簡單的BOOST升壓電路。
若很長時(shí)間沒有對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制，所有元器件是屬于理想狀態(tài)，所以Uo=Ui；

如圖當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，同理，電感中的電流成線性增加，電感自感阻礙電流上升，電感將電能轉(zhuǎn)為磁能存儲(chǔ)起來。二極管的作用是防止電容對(duì)地放電。
當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，此時(shí)電感的電流又降開始慢慢減少。由于自感的作用阻礙電流的減小，電感兩端是左負(fù)右正，所以輸出端的電壓就成了Uo=Ui+UL。輸出電壓大于輸入電壓。

對(duì)于電感有Uon=Ui,Uoff=Uo-Ui，由伏秒平衡原理得UiTD=(Uo-Ui)(Ts-TD),化簡可以得到
可以通過改變PWM占空比來控制輸出電壓的大小。

四、BUCK-BOOST電路

Buck/Boost變換器，也稱升降壓式變換器，是一種輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，但其輸出電壓的極性與輸入電壓相反。Buck/Boost變換器可看做是Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成，合并了開關(guān)管。如圖是buck/boost最簡單的電路圖。

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電流從流過電感直接到地，右端輸出主要由電容放電來維持。Uon=Ui-Uq通常情況下忽略Uq的壓降,即Uon=Ui

當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電感電流從地流向負(fù)載R和電容C，在流經(jīng)二極管后回到電感。其過程就是L釋放能量和電容充電的一個(gè)過程。所以Uoff=Uo-Ud,二極管的壓降一般也是忽略不計(jì)的,即Uoff=Uo

由伏秒平衡原理得UiTD=Uo(Ts-TD),化簡可以得到

這時(shí)候我們就會(huì)想，怎么控制輸出電壓是降壓還是升壓呢？控制開關(guān)管的PWM波的占空比就起了很大的作用。如果占空比大于1/2，升壓；反之降壓。

總結(jié)

1.Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓、U0小于輸入電壓Ui，極性相同。BUCK型DC-DC只能降壓，降壓公式：Vo=Vi*D。

2.Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓、U0大于輸入電壓Ui，極性相同。BOOST型DC-DC只能升壓，升壓公式：Vo=Vi/(1-D)。

3.Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。BUCK-BOOST型DC-DC，即可升壓也可降壓，公式：Vo=(-Vi)* D/（1-D）。

#4.Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電、壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

5.開關(guān)管：一般使用功率三極管或功率MOS管，由PWM波信號(hào)來控制開關(guān)管通斷。

6.電感：儲(chǔ)能作用，電感在儲(chǔ)能和釋能轉(zhuǎn)換時(shí)，電感的正負(fù)極會(huì)發(fā)生反向。流經(jīng)電感的電流不能突變，只能逐步變大或變小。

7.二極管：限流作用

8.電容：濾波作用

9.電阻：負(fù)載

內(nèi)容和圖有些引用博主「燈泡有點(diǎn)小亮」，在此感謝