DCDC开关电源原理-buck - boost 型（升降压型）

一、DCDC开关电源原理
定义：DC-DC 开关电源是一种将直流电压转换为另一种直流电压的电源装置，其原理基于开关管的导通与截止，通过控制开关管的占空比来调节输出电压。

按拓扑结构分类

• buck 型（降压型）
  • 原理 ：通过控制开关管的导通时间，将输入电压降低到所需的输出电压。在导通期间，电源向负载和储能电感充电；在截止期间，储能电感释放能量维持负载电流。
  • 特点 ：输出电压低于输入电压，效率较高，输出电流纹波相对较小，常用于对电压稳定性要求较高的场合，如电脑主板、手机充电器等。
• boost 型（升压型）
  • 原理 ：当开关管导通时，储能电感储存能量；开关管截止时，电感中储存的能量与输入电压叠加，使输出电压高于输入电压。
  • 特点 ：输出电压高于输入电压，可用于将低电压电源转换为高电压电源，如汽车电子中的电源升压模块、太阳能电池板的升压电路等。但输出电流能力相对较弱，且输出电压纹波较大。
• buck - boost 型（升降压型）
  • 原理 ：通过控制开关管的导通和截止时间，使输出电压可高于或低于输入电压。在不同的工作模式下，储能电感和电容的充放电过程不同，从而实现电压的升降压转换。
  • 特点 ：能实现升降压功能，灵活性较高，但电路复杂度较高，效率相对较低，输出电压和电流纹波较大。常用于一些对电源电压要求灵活可变的设备中，如便携式电子设备的电源管理电路。
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    这里继续上篇文章，上次我们对Boost电路的工作原理进行了分析，加下来我们对Buck-Boost电路进行一起分析和学习。

二、工作原理

Buck/Boost变换器，亦被称为升降压式变换器，是一种独特的不隔离直流变换器。其输出电压既可低于亦可高于输入电压，且输出电压的极性与输入电压恰好相反。从结构上看，Buck/Boost变换器可视为Buck变换器与Boost变换器的巧妙结合，通过串联的方式实现了开关管的合并。以下为Buck/Boost转换器的基本电路图：

当开关管导通时，输入电流会直接流过电感并接地，而右端的输出则主要依靠电容的放电来维持。在一般情况下，我们可以忽略Uq的压降，因此Uon可以近似等于Ui。

当开关管处于关闭状态时，电感电流会从地线流向负载电阻R和电容C，经过二极管后再次回到电感，完成一个能量释放与电容充电的循环。在此过程中，由于二极管的压降通常可以忽略，因此，我们可以近似认为Uoff等于Uo。

由伏秒平衡原理，我们得到等式：Ui * TD = Uo * (Ts - TD)，经过化简，可以得到以下结果。
接下来，我们探讨如何通过调整输出电压来实现降压或升压的效果。这关键在于控制开关管的PWM波占空比。当占空比超过一半时，将实现升压效果；而降低占空比则会导致降压。
三|、总结

经过上述的探讨，我们了解到通过调整输出电压，可以实现降压或升压的效果。这种调整的关键在于对开关管的PWM波占空比进行精确控制。当占空比超过50%时，系统将呈现出升压的特性；相反，降低占空比则会导致降压。这一发现为我们提供了在电路设计中实现电压灵活调整的重要依据。

1. Buck-Boost电路，一种既能降压也能升压的斩波器，其输出平均电压U0可以大于或小于输入电压Ui，但极性相反，通过电感进行传输。BUCK-BOOST型DC-DC转换器的公式为Vo=(-Vi)*D/(1-D)。
2. 开关管，通常选用功率三极管或功率MOS管，其通断由PWM波信号控制。
3. 电感，在此电路中扮演储能角色。在储能与释能过程中，电感的正负极会发生变化。需注意，流经电感的电流无法突变，只能逐渐变化。
4. 二极管，主要用于限流。
5. 电容，主要起滤波作用。
6. 电阻，作为负载使用。
   在布局和布线时，还需注意以下几点：

• DC-DC转换器的功率管脚应大面积铺铜以减少电源温升。
• 根据载流原则处理好输入和输出主回路，并注意铺铜的通流能力和过孔数量。
• 反馈线应避免绕着电感L走。
• 开关电源芯片及其电感下方应尽量避免布局其他信号线。
• 二极管续流回路应尽可能短以减少损耗。
• DC-DC芯片的散热焊盘上需打矩阵过孔以增强散热效果。
• 布局要紧凑且输入输出主干道宜采用“一”字型或“L”型布局方式以提高效率。
• 关键滤波电容的放置要合理遵循先大后小的原则以确保稳定性和响应速度。
• 输出供电电源应从输出电容取电以保证供电稳定性。
• 对于多路输出的开关电源应尽量使相邻电感垂直分布以减少磁场干扰。

此外，在选择时还需综合考虑DC-DC与LDO的优缺点以便选出最适合的转换器类型。
开关稳压电源的效率通常高达80%以上，然而其输出纹波电压相对较高，导致噪声较大，进而影响电压调整率等关键性能。特别是在为模拟电路供电时，这种影响将更为显著。

DC-DC转换器的优点包括高效率、宽输入电压范围以及强大的驱动力。然而，它相较于LDO，负载响应稍显逊色，且输出纹波较大。另一方面，LDO以其快速的负载响应、出色的稳定性和低输出纹波而闻名。但遗憾的是，其效率较低，且输入与输出的电压差、驱动能力以及负载能力均有限。在实际应用中，需要综合考虑这些优缺点来选择合适的器件。

在同等条件下，LDO的体积通常会比DC-DC更大。这主要是因为LDO的转换率较低，导致其耗散功率和发热量均高于DC-DC。因此，在设计中必须考虑散热问题，这往往使得LDO的体积在相同条件下比DC-DC稍大一些。

审核编辑 黄宇