Buck-boost电路是一种既能实现降压（Buck）又能实现升压（Boost）的DC-DC变换器拓扑。其核心特点是输出电压的极性与输入电压相反（即输出负电压），并且可以通过调节开关管的占空比连续调节输出电压的幅值（绝对值），使之高于或低于输入电压。

以下是其工作原理的详细说明（假设输入电压为正，输出电压为负）：

基本组成元件

1. 开关管 (S)：通常是MOSFET，由PWM信号控制周期性地导通（ON）和关断（OFF）。
2. 二极管 (D)：在开关管关断时为电感电流提供续流路径。
3. 电感 (L)：核心储能元件，通过充放电实现能量转换和电压变换。
4. 输出电容 (C)：滤平输出电压纹波，为负载提供平滑的直流电。
5. 负载 (R_load)

工作原理（分两个阶段分析）

电路工作在开关管周期性地导通和关断的两种状态，遵循伏秒平衡原理（电感电压在稳态下平均值为零）。

阶段1：开关管导通 (S ON, D OFF)

• 路径： 输入电压 Vin 加到电感 L 的两端，电流从Vin正极 → L → 开关管S → Vin负极。
• 电感状态： 电感两端电压为 V_L = Vin（极性：左正右负）。电感线性储能，电流 iL 增大。
• 输出状态： 二极管 D 因反偏而截止。此时负载完全由输出电容 C 供电。电容开始放电，维持负载电流。

阶段2：开关管关断 (S OFF, D ON)

• 路径： 电感电流不能突变，产生反电动势维持电流流动。电流路径为：电感 L左端 → 负载 Rload 和 电容 C → 二极管 D → L右端。
• 电感状态： 电感两端电压为 V_L = Vout（注意：此时输出电压Vout是负的，所以实际电感电压极性是左负右正）。电感开始线性释放能量，电流 iL 减小。
• 输出状态： 电感电流同时为负载供电和给输出电容 C 充电。

稳态分析（伏秒平衡）

在连续导通模式 (CCM) 下，稳态时电感电压的平均值为零： (Vin * T_on) + (Vout * T_off) = 0

• T_on：开关导通时间
• T_off：开关关断时间 (T_off = T - T_on, T 为开关周期)
• 定义 占空比 D = T_on / T，则 1 - D = T_off / T

代入伏秒平衡公式： Vin * D * T + Vout * (1 - D) * T = 0

化简得输出电压表达式： *`Vout = -Vin (D / (1 - D))`**

关键结论

1. 电压变换能力：
   • 当 D < 0.5 时： |Vout| < |Vin| → 降压 (Buck)。占空比 D 越小，|Vout| 越小。
   • 当 D > 0.5 时： |Vout| > |Vin| → 升压 (Boost)。占空比 D 越接近1，|Vout| 越大。
   • 当 D = 0.5 时： |Vout| = |Vin| → 单位增益。
2. 输出电压极性： 输出电压 Vout 的极性始终与输入电压 Vin 相反。例如，输入 +12V：
   • 输出可以是 -5V (D < 0.5, 降压)
   • 输出可以是 -24V (D > 0.5, 升压)
3. 占空比控制： 通过改变PWM信号的占空比 D，可以平滑连续地调节输出电压幅值的绝对值 |Vout|，使其低于或高于 |Vin|。

工作模式

• 连续导通模式 (CCM)： 电感电流在整个开关周期内都大于零。上述分析基于此模式。
• 断续导通模式 (DCM)： 电感电流在一个开关周期结束前降至零。输出电压公式需要修正，控制更复杂，但效率在某些负载下可能更高。
• 临界导通模式 (BCM)： 电感电流在周期结束时刚好降到零。通常用于提高效率并简化控制。

核心特点总结

• 功能：一个拓扑实现降压和升压功能。
• 极性反转：输出电压极性与输入电压相反。
• 占空比调控：D 决定 |Vout| 与 |Vin| 的关系。
• 电感作用：储能、能量传递、电压变换的核心元件。
• 电容作用：滤波，维持输出电压稳定。

典型应用

• 需要从单电源生成负电源的场合（如运算放大器电路）。
• 输入电压变化范围宽（既可能高于也可能低于所需输出电压）的应用（如电池供电设备：电池充满时电压高需要降压，放电快结束时电压低需要升压）。
• LED驱动（可以灵活调整驱动电压）。

理解Buck-boost电路的伏秒平衡原理和两个工作状态的电流路径及其物理意义，是掌握其工作原理的关键。