开关电源基础02:基本开关电源拓扑(2)-BOOST/BUCK-BOOST拓扑

发布网友 发布时间：2024-10-24 11:35

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热心网友 时间：2024-10-30 12:42

大家知道开关电源的基本拓扑有且只有三种：降压型（BCUK），升压型（BOOST），升降压型（BUCK-BOOST）；从中文命名中我就可以知道降压型拓扑只负责降压，该特性上类似于线性电源变换器（LDO），但升压型拓扑，顾名思义，就是只负责电源升压变换的拓扑。降压比较容易理解，那升压是怎么实现的呢？

1，升压型（BOOST）拓扑原理

如下图所示为升压型（BOOST）电源拓扑的结构示意图，其结构与BUCK电路的主要不同在于：在Vdc和开关Q1之间串接了一个电感器L1，电感器L1的右端通过整流二极管D1（非续流二极管）给输出电容C0及负载供电。

4. 输出电容器串联的是二极管（D1），所以输出电容器的电流是斩波式的，如上右图红色线所示，必然会影响输出电源的波动；——BOOST拓扑的输出电源纹波电流相对BUCK拓扑来说更大，所以对BOOST拓扑的输出电容器有更高的要求：ESR更低、容量更大等。

5. 对于输出电容来说，在稳态下其平均电流为0（同BUCK拓扑），那么BOOST拓扑的平均二极管电流必然等于负载电流，所以Id_avg = Io=IL*(1-D)，IL= Io/(1-D)，这是平均电感器电流和负载电流的关系。

6. 输出电压的调整是通过反馈环路控制Q1的导通时间Ton来实现的，若直流负载电流Io上升，则导通时间Ton会自动增加为负载提供更多的能量。

同样，根据BOOST拓扑也可以通过伏秒定律来推导直流传递函数：Von = Vin – Vsw，Voff = Vo + Vd – Vin，Von*Ton = Voff * Toff，那么1/D = T/Ton = (Toff+Ton)/Ton = (Vo+Vd-Vsw)/(Vo+Vd-Vin)，所以D = (Vo+Vd-Vin)/ (Vo+Vd-Vsw)，如果MOS管压降（Vsw）和二极管压降（Vd）相比输入/输出电源电压都很小，那么D ≈ (Vo-Vin)/Vo，输出与输入之间的关系为：Vo = Vin* [1/(1-D)]。

Boost开关电源同样有两个工作模式：连续工作模式和不连续工作模式；如下图所示。

3. 若反馈环在不连续工作模式正常工作，当R0或Vdc减小时，反馈环路会增加Ton以保持输出电压恒定；若R0或Vdc继续减小，则可能使Ton增大到下次导通之前D1电流仍未降到0，此时电路进入连续工作模式；

4. 能使不连续工作模式下反馈环稳定工作的误差放大电路，不能使连续工作模式下的反馈环稳定，并会产生振荡。——如上一章“开关调整器的不同工作模式”所述，连续导通模式和断续导通模式的反馈环路设计是不一样。

2，不连续模式下的参数设计

三，升降压型（BUCK-BOOST）/反极性拓扑

升降压拓扑实现了开关电源升压和降压两种功能，实际上升降压拓扑是：正输入对负输出的（或负输入对正输出），如下图所示，无论输入极性如何输出都会反向，因此升降压拓扑也被称为反极性拓扑。

1，升降压型拓扑原理

升降压拓扑工作原理：在一个周期（Ton）的一段时间内使电感储能，而在后的一段时间内（Toff）将电感能量传递给负载；拓扑结构示意图及工作状态如下图所示。

5. 输出电容器串联的是二极管（D1），所以输出电容器的电流也是斩波式的，如上右图红色线所示，必然会影响输出电源的波动；

6. 发热损耗与电流IRMS值成比例，脉冲电流的RMS值很大，降低了BUCK-BOOST拓扑电路的效率，同时输入/输出电源的PCB上会有很大噪声和纹波；——BUCK-BOOST拓扑的输入/输出电源纹波电流都很大，所以对BUCK-BOOST拓扑来说的输入/输出电容器的要求都很高：低ESR、大容量等。

7. 对于输出电容来说，在稳态下其平均电流为0（事实上任何电源拓扑的稳态平均电流都为0），那么BUCK-BOOST拓扑的平均二极管电流必然等于负载电流，所以Id_avg = Io=IL*(1-D)，IL= Io/(1-D)，这是平均电感器电流和负载电流的关系（同BOOST拓扑一样）；

8. 输出电压的调整是通过反馈环路控制Q1的导通时间Ton来实现的，若直流负载电流Io上升，则导通时间Ton会自动增加为负载提供更多的能量。

根据BUCK-BOOST拓扑也可以通过伏秒定律来推导直流传递函数：Von = Vin – Vsw，Voff = -Vo + Vd，Von*Ton = Voff * Toff，那么1/D=T/Ton = (Toff+Ton)/Ton = (Vin-Vsw+Vd-Vo)/(-Vo+Vd)，所以D = (-Vo+Vd)/ (Vin-Vsw+Vd-Vo)，如果MOS管压降（Vsw）和二极管压降（Vd）相比输入/输出电源电压都很小，那么D ≈ (-Vo)/[Vin+(-Vo)]，输出与输入之间的关系为：(-Vo) = Vin* D/(1-D)。

2，不连续模式下的参数设计

BUCK-BOOST电源拓扑同Boost拓扑一样，需保证导通时间最大时，存储于L0的电流能在Tτ末端下降至0；并距再次导通留有0.2T的死区，以保证其工作于不连续模式；Ton+Tτ=T-Tdt=0.8T。

同BOOST电源拓扑一样，BUCK-BOOST电源拓扑要求导通伏秒数与关断伏秒数相等以防止磁心饱和；所以Vdc*Ton=Vo*Tτ，结合两个公式可得：Ton= 0.8*Vo*T/(Vdc+Vo)；假设输出效率为100%，那么Po= V²o/Ro = Pt = (1/2)*L0*I²p/T；由于Ip=Vdc*Ton/L0，可得： Vo=Vdc*Ton*√[Ro/(2T*Lo)]。

在已知Vo、Vdc、Ro和T情况下，结合Ton公式可计算L0值。