二，升壓型（BOOST）拓撲

大家知道開關電源的基本拓撲有且只有三種：降壓型（BCUK），升壓型（BOOST），升降壓型（BUCK-BOOST）；從中文命名中我就可以知道降壓型拓撲只負責降壓，該特性上類似于線性電源變換器（LDO），但升壓型拓撲，顧名思義，就是只負責電源升壓變換的拓撲。降壓比較容易理解，那升壓是怎么實現的呢？

1，升壓型（BOOST）拓撲原理

如下圖所示為升壓型（BOOST）電源拓撲的結構示意圖，其結構與BUCK電路的主要不同在于：在Vdc和開關Q1之間串接了一個電感器L1，電感器L1的右端通過整流二極管D1（非續流二極管）給輸出電容C0及負載供電。

1. Q1導通時：電流方向為Vdc通過L1和Q1到GND，而負載電流（Io）全部由輸出電容器C0提供；所以C0應足夠大，以使在Ton時間段內向負載供電時的輸出電源電壓降滿足設計要求；

——Q1導通時電流路徑為：從Vdc流到了GND，并沒有能量傳輸到輸出端；感覺這不是浪費電能了么？其實理想情況下（不考慮電感器DCR和MOS管導通電阻，P = I2*R = 0）并不會損耗電能，而是將能量儲存到了電感器L1中。

2. Q1關斷時：由于電感器電流不能突變，電流方向為Vdc通過L1和D1向C0和負載供電，此時C0兩端電壓高于Vdc；此時Vdc電源和電感器儲能（總共兩部分）給負載和C0供電（補充電容器C0單獨向負載供電時（ton階段）損失的靜電場能）；

——Q1關斷，經過電感器L1的電流由增加變成減小（電流變化率產生變化），所以電感器的感應電壓方向發生轉變，即由原來的左高右低（與Vdc抵消）變成左低右高（與Vdc疊加），此時輸出電壓Vo會高于Vdc。

3. 輸入電容器串聯電感器，所以輸入電容電流是“平滑”的，如下左圖所示；

4. 輸出電容器串聯的是二極管（D1），所以輸出電容器的電流是斬波式的，如上右圖紅色線所示，必然會影響輸出電源的波動；

——BOOST拓撲的輸出電源紋波電流相對BUCK拓撲來說更大，所以對BOOST拓撲的輸出電容器有更高的要求：ESR更低、容量更大等。

5. 對于輸出電容來說，在穩態下其平均電流為0（同BUCK拓撲），那么BOOST拓撲的平均二極管電流必然等于負載電流，所以Id_avg = Io=IL*(1-D)，IL= Io/(1-D)，這是平均電感器電流和負載電流的關系。
6. 輸出電壓的調整是通過反饋環路控制Q1的導通時間Ton來實現的，若直流負載電流Io上升，則導通時間Ton會自動增加為負載提供更多的能量。

同樣，根據BOOST拓撲也可以通過伏秒定律來推導直流傳遞函數：Von = Vin – Vsw，Voff = Vo + Vd – Vin，VonTon = 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管壓降（Vsw）和二極管壓降（Vd）相比輸入/輸出電源電壓都很小，那么D ≈ (Vo-Vin)/Vo，輸出與輸入之間的關系為：Vo = Vin [1/(1-D)]。

Boost開關電源同樣有兩個工作模式：連續工作模式和不連續工作模式；如下圖所示。

1. 不連續工作模式：如上左圖所示，若Q1在下次導通之前，流過D1的電流已下降為0，則認為上次Q1導通時存儲于L1的能量已釋放完畢（磁芯復位），電源電路工作于不連續模式；
2. 連續工作模式：如上右圖所示，若電流在Q1關斷時間結束時流過D1的電流還未下降到0，由于電感器電流不能突變，Q1下次導通時電流會產生一個臺階：Q1和D1上的電流將呈典型的階梯斜坡形狀；

——其本質同上一章節舉例的BUCK開關電源的連續導通模式和斷續導通模式是一樣的，與電源輸出負載電流的大小有關。

3. 若反饋環在不連續工作模式正常工作，當R0或Vdc減小時，反饋環路會增加Ton以保持輸出電壓恒定；若R0或Vdc繼續減小，則可能使Ton增大到下次導通之前D1電流仍未降到0，此時電路進入連續工作模式；
4. 能使不連續工作模式下反饋環穩定工作的誤差放大電路，不能使連續工作模式下的反饋環穩定，并會產生振蕩。

——如上一章“開關調整器的不同工作模式”所述，連續導通模式和斷續導通模式的反饋環路設計是不一樣。

2，不連續模式下的參數設計

BOOST開關電源工作在不連續模式下，首先需要確保工作模式不會跨越到連續模式，具體步驟如下：

1. D1電流在Q1再次導通時正好降為0，這是不連續工作模式的臨界點；

——在臨界不連續情況下，Vdc或R0任何微小的減小都會導致電路進入連續工作模式，若誤差放大器未針對連續工作模式設計，則會引起振蕩（增加Ton，導致D1電流增大）。

2. 為避免出現臨界不連續的情況，需要選擇恰當的開關導通時間（Ton），以保證在最大導通時間時，D1電流也能降為0，并且與Q1再次導通之間仍留有一定的死區時間：Tdt，如上左圖所示；
3. D1電流下降至0時，L1的磁心磁通必然恢復至磁滯回線的起點；磁心不允許在磁滯回線上一直沿單方向磁化，若給定伏秒數（E*dt）從B1點移到B2點，則磁心再次沿磁滯回線磁化上移之前必須施加反極性伏秒數使其精確回到B1點，如上右圖所示；

——假如繞組施加同名端為正的電壓使磁芯發生正向磁化dB = B1-B2，若磁芯密度從B1變化到B2后，加反壓使他復位復位到哪怕只比B1高一點，若干周期后磁芯密度會達到磁滯曲線飽和段使磁芯飽和，從而造成開關管損壞。

4. Q1導通時L1同名端極性為正，磁心伏秒數：Vdc*Ton，驅動沿磁滯回線置位；Q1關斷時L1電壓極性反向，磁心沿磁滯回線恢復至起點位置，磁心伏秒數：（Vo-Vdc）Tτ=VdcTon；
5. 為保證電路工作于不連續模式，設定整個周期的20%為死區時間Ttd；這樣，最大導通時間+磁心復位時間+死區時間（T = Ton + Tτ +Ttd），構成整個工作周期，保證L1的電流降低到0與Q1再次導通之間有20%周期的間隔；
6. 根據Q1導通和關閉伏秒數相等，Vdc*Ton = （Vo-Vdc）*Tτ， Ton+Tτ=0.8T；可得：Ton= [0.8T*(Vo-Vdc)]/Vo。

三，升降壓型（BUCK-BOOST）/反極性拓撲

升降壓拓撲實現了開關電源升壓和降壓兩種功能，實際上升降壓拓撲是：正輸入對負輸出的（或負輸入對正輸出），如下圖所示，無論輸入極性如何輸出都會反向，因此升降壓拓撲也被稱為反極性拓撲。

1，升降壓型拓撲原理

升降壓拓撲工作原理：在一個周期（Ton）的一段時間內使電感儲能，而在后的一段時間內（Toff）將電感能量傳遞給負載；拓撲結構示意圖及工作狀態如下圖所示。

1. 正輸入負輸出的BUCK-BOOST拓撲電路，可以將+12V電壓降為-5V或則升壓為-15V；或則負輸入的-12V電壓變換為+5V或則+15V，輸出電壓可以大于、等于或則小于輸入電壓（電壓幅值）；
2. Q1導通時：電流方向為Vdc通過Q1和L0到GND，將Vdc輸入能量儲存在L0中，此時負載電流（Io）全部由輸出電容器C0提供；所以C0應足夠大，以使在Ton時間段內向負載供電時的輸出電源電壓降滿足設計要求；
3. Q1關斷時：由于電感器電流不能突變，電流方向為Vo通過D1和L0到GND，給C0反向充電，此時C0兩端電壓極性為上負下正（負壓）；此時輸入已斷開，所有負載所消耗能量和給電容器C0充電的能量全部由電感器L0提供；

——我們看到BUCK-BOOST拓撲中沒有輸入電源Vdc直接提供能量給輸出的路徑（BUCK和BOOST拓撲中都有），即只有反激式拓撲（包括BUCK-BOOST）所有的能量都必須先儲存在電感器中，對電感器要求更高：若Q1導通時存儲于L0的電流Ip在Q1再次導通之前下降到0（工作于不連續模式），那么提供給負載的功率為：Pt =(1/2)L0I2p/T。

4. 輸入電容器串聯開關（MOS管），所以輸入電容的電流是“斬波式”的，如下左圖所示；

5. 輸出電容器串聯的是二極管（D1），所以輸出電容器的電流也是斬波式的，如上右圖紅色線所示，必然會影響輸出電源的波動；
6. 發熱損耗與電流IRMS值成比例，脈沖電流的RMS值很大，降低了BUCK-BOOST拓撲電路的效率，同時輸入/輸出電源的PCB上會有很大噪聲和紋波；

——BUCK-BOOST拓撲的輸入/輸出電源紋波電流都很大，所以對BUCK-BOOST拓撲來說的輸入/輸出電容器的要求都很高：低ESR、大容量等。

7. 對于輸出電容來說，在穩態下其平均電流為0（事實上任何電源拓撲的穩態平均電流都為0），那么BUCK-BOOST拓撲的平均二極管電流必然等于負載電流，所以Id_avg = Io=IL*(1-D)，IL= Io/(1-D)，這是平均電感器電流和負載電流的關系（同BOOST拓撲一樣）；
8. 輸出電壓的調整是通過反饋環路控制Q1的導通時間Ton來實現的，若直流負載電流Io上升，則導通時間Ton會自動增加為負載提供更多的能量。

根據BUCK-BOOST拓撲也可以通過伏秒定律來推導直流傳遞函數：Von = Vin – Vsw，Voff = -Vo + Vd，VonTon = 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管壓降（Vsw）和二極管壓降（Vd）相比輸入/輸出電源電壓都很小，那么D ≈ (-Vo)/[Vin+(-Vo)]，輸出與輸入之間的關系為：(-Vo) = Vin D/(1-D)。

2，不連續模式下的參數設計

BUCK-BOOST電源拓撲同Boost拓撲一樣，需保證導通時間最大時，存儲于L0的電流能在Tτ末端下降至0；并距再次導通留有0.2T的死區，以保證其工作于不連續模式；Ton+Tτ=T-Tdt=0.8T。

同BOOST電源拓撲一樣，BUCK-BOOST電源拓撲要求導通伏秒數與關斷伏秒數相等以防止磁心飽和；所以VdcTon=VoTτ，結合兩個公式可得：Ton= 0.8VoT/(Vdc+Vo)；假設輸出效率為100%，那么Po= V2o/Ro = Pt = 1/2L0I2p/T；由于Ip=Vdc*Ton/L0，可得： Vo=Vdc*Ton*√[Ro/(2T*Lo)]。

在已知Vo、Vdc、Ro和T情況下，結合Ton公式可計算L0值。