BUCK-BOOST拓扑电路浅析

     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。

     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=T_ON/T），下同。

■由电感伏秒守恒有：

V_IN*T_ON=V_OUT*T_OFF

V_IN*D*T=V_OUT*(1-D)*T

■由此可得：

V_OUT=D/(1-D)*V_IN

D=V_OUT/(V_OUT+V_IN )   

     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。

 图2.BUCK-BOOST电流流向

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：

图3.关键元器件电压、电流波形

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：

L=(D*V_IN)/(0.3*F_SW*(I_IN+I_OUT ) )

若按上述感量选择电感，则流过电感的峰值电流：

I_LPEAK=I_IN+I_OUT+∆I/2=1.15*(I_IN+I_OUT)

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

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-V_OUT，故D1承受的电压为：

V_D=|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。

当Q1关断时，SW点电压被钳位到-V_OUT，故功率MOS承受的最大电压：

V_MOS=|VIN|+|VOUT|

当Q1导通时，Q1的电流峰值为I_LPEAK，平均电流为I_IN。

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：

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。

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；

计算输入峰值电流：

1.15*(1A+0.625A)=1.87A

计算功率管、续流肖特基管峰值电压：|-5V|+|14V|=29V；

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；

计算10V时的占空比：

D=5V/(5V+10V)=0.33

计算电感量：

L=0.33*10V/(0.3*150KHz*(1A+0.625A))=45uH

计算最小电流能力：

IL=1.5*(1A+0.625A)=2.44A

选用47uh/3电感；

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；

输入电容纹波电流有效值：

I_CINRMS=0.625A*sqrt((1-0.33)/0.33)=0.89A

“sqrt”代表根号；

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；

输出电容纹波电流有效值：

I_COUTRMS=1A*sqrt(0.33/(1-0.33))=0.70A

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：