BUCK-BOOST拓扑原理与元器件的选择

第1页，共3页V1.0BUCK-BOOST拓扑原理引言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。BUCK-BOOST电路原理BUCK-BOOST电路简图如图1。CINQ1D1L1COUTRLS1+-V-GNDSW图1.BUCK-BOOST电路简图当功率管Q1导通时，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=TON/T），下同。由电感伏秒守恒有：𝑉𝐼𝑁∗𝑇𝑂𝑁=𝑉𝑂𝑈𝑇∗𝑇𝑂𝐹𝐹𝑉𝐼𝑁∗𝐷∗𝑇=𝑉𝑂𝑈𝑇∗(1−𝐷)∗𝑇由此可得：𝑉𝑂𝑈𝑇=𝐷1−𝐷∗𝑉𝐼𝑁𝐷=𝑉𝑂𝑈𝑇𝑉𝑂𝑈𝑇+𝑉𝐼𝑁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，未考虑输出压的方向。CINQ1D1L1COUTRLS1+-V-GNDCINQ1D1L1COUTRLS1+-V-GNDQ1闭合Q1断开图2.BUCK-BOOST电流流向BUCK-BOOST元器件计算及各点波形（电感电流连续模式）以下均在电感电流连续模式下讨论，即CCM。由先我们先看一下各点理想情况下的波形：第2页，共3页V1.0VINVOUTVLt0SW点电压电感L电流Iin+IoutILt0ΔIIin+IoutIQt0ΔI开关管Q电流Iin+IoutIDt0ΔI续流二极管D电流图3.关键元器件电压、电流波形电感L1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∗𝑉𝐼𝑁0.3∗𝐹𝑆𝑊∗(𝐼𝐼𝑁+𝐼𝑂𝑈𝑇)若按上述感量选择电感，则流过电感的峰值电流：𝐼𝐿𝑃𝐸𝐴𝐾=𝐼𝐼𝑁+𝐼𝑂𝑈𝑇+∆𝐼2=1.15∗(𝐼𝐼𝑁+𝐼𝑂𝑈𝑇)实际应用应留有一定的余量，电感的电流能力通常取1.5*（IIN+IOUT）以上。续流二极管D1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-VOUT，故D1承受的电压为：𝑉𝐷=|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。功率管Q1当Q1关断时，SW点电压被钳位到-VOUT，故功率MOS承受的最大电压：𝑉𝑀𝑂𝑆=|𝑉𝐼𝑁|+|𝑉𝑂𝑈𝑇|当Q1导通时，Q1的电流峰值为ILPEAK，平均电流为IIN。输入电容输入电容纹波电流有效值可用下式计算：𝐼𝐶𝐼𝑁𝑅𝑀𝑆=𝐼𝐼𝑁∗√1−𝐷𝐷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：𝐶𝐼𝑁=(1−𝐷)∗𝐼𝐼𝑁∆𝑉1∗𝐹𝑆𝑊输出电容输出电容纹波电流有效值可用下式计算：𝐼𝐶OUT𝑅𝑀𝑆=𝐼𝑂𝑈𝑇∗√𝐷1−𝐷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：𝐶𝑂𝑈𝑇=𝐷∗𝐼𝑂𝑈𝑇∆𝑉2∗𝐹𝑆𝑊第3页，共3页V1.0设计实例要求输入电压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。解决步骤1.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。2.计算输入峰值电流：1.15*(1A+0.625A)=1.87A。3.计算功率管、续流肖特基管峰值电压：|-5V|+|14V|=29V。4.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。5.计算10V时的占空比：D=5V/(5V+10V)=0.33。6.计算电感量：L=0.33*10V/(0.3*150KHz*(1A+0.625A))=45uH。7.计算最小电流能力IL=1.5*(1A+0.625A)=2.4A8.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。9.输入电容纹波电流有效值：ICINRMS=0.625A*sqrt((1-0.33)/0.33)=0.89A，“sqrt”代表根号。10.假设输入电压最大跌落0.05V，则CIN=(1-0.33)*0.625A/(0.05V*150KHz)=56uF。11.输出电容纹波电流有效值：ICOUTRMS=1A*sqrt(0.33/(1-0.33))=0.70A。12.假设输出放电电压最大跌落0.05V，则COUT=0.33*1A/(0.05V*150KHz)=44uF。实际电路可参考下图：XL4201CIN100uF50VC1105COUT100uF50VD1SS36L147uh/3AFBVINGNDSWC2105R13.3KR210KVO-VCGNDVIN+GNDC3105CC105CSRCS0.91ΩCINA100uF50V图4.XL4201BUCK-BOOST参考电路图注意事项1.无论是功率管Q1还是续流肖特基二极管D1的耐压均要大于输入电压+输出电压的绝对值。2.芯片的GND与输入、输出功率GND不是同一个GND。3.BUCK-BOOST电路的效率要略低于单纯的BUCK或BOOST电路，实际使用时要注意多留余量。