1 、Buck-Boost電路原理

Buck-Boost電路是一種常用的DC/DC變換電路，其輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓，輸出電壓極性即可以為正電壓也可以為負(fù)電壓。

1.1 反極性Buck-Boost電路

最簡單的Buck-Boost電路簡圖如下圖所示，電路分別由開關(guān)管S、二極管D、電感L、輸出電容C、負(fù)載R組成：

開關(guān)管導(dǎo)通時，S相當(dāng)于短路，電感L直接接到電源兩端，由于電感電流不能突變（變大），電感會產(chǎn)生反向電動勢阻止電流變大，電感電壓極性為上正下負(fù)，此時，二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于斷路，如圖所示。此時電感在充電，電感兩端電壓VL=Vin，電流隨著時間不斷變大；負(fù)載由輸出電容供電，電容放電，其兩端電壓即輸出電壓隨著時間不斷減小。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，示意圖見下圖。

開關(guān)管關(guān)閉時，相當(dāng)于斷路，電感L兩端電流變小，但電感電流不能突變，電感會產(chǎn)生反向電電動勢，電感電壓極性為上負(fù)下正，電感放電，此時二極管導(dǎo)通，電感為負(fù)載供電，給輸出電容充電，電感兩端電壓為VL=Vout。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，電路示意圖見下圖。由圖可知，負(fù)載兩端電壓即輸出電壓極性與輸入電壓極性相反。

開關(guān)管導(dǎo)通時，電感電壓等于輸入端電壓VIN；開關(guān)管關(guān)斷時，電感電壓等于輸出端電壓VOUT。設(shè)TS為周期，TON為導(dǎo)通時間，TOFF為關(guān)斷時間，D為占空比（D=Ton/TS）。

根據(jù)伏秒平衡定律：

VLTon = VLToff

Vin Ton = VoutToff Vin Ton = Vout (TS-Ton)

Vout = D/（1-D）*Vin

D = Vout/(Vout+Vin)

由上述公式可知：占空比小于0.5時，輸出降壓；占空比大于0.5時，輸出升壓。

通常現(xiàn)在使用的芯片集成度已經(jīng)比較高，進(jìn)行電路設(shè)計時重點在于外圍電路選型比如電感、輸出電容等，開關(guān)管和二極管一般集成在芯片內(nèi)部。

1.2 同極性Buck-Boost電路

如下圖所示，與1.1節(jié)描述的反極性電路相比，這是真正意義上的Buck電路加Boost電路。通過控制開關(guān)管S1、S2來實現(xiàn)電路工作在BUCK模式和BOOST模式從而實現(xiàn)升降壓。

2、同步Buck-Boost電路原理

由1.2節(jié)介紹可知，電路存在兩個二極管，對于高效率需求并不友好，因此現(xiàn)在通常選用同步Buck-Boost電路，將兩個二極管使用兩個開關(guān)管來代替，即四開關(guān)管Buck-Boost電路，如下圖所示。

四開關(guān)同步Buck-Boost電源內(nèi)部控制電路控制開關(guān)管周期性導(dǎo)通或斷開，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管狀態(tài)（如占空比等），控制輸出電壓的大小。其基本原理是通過嚴(yán)格控制開關(guān)電路的導(dǎo)通和截止時間，實現(xiàn)對輸出電壓的有效調(diào)節(jié)，從而達(dá)到降壓和升壓的目的。

2.1 Buck 模式

當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)大于輸出電壓時，電源IC工作在降壓模式。即S4處于常閉、S3處于常開，通過驅(qū)動S1和S2周期性地導(dǎo)通關(guān)閉，如下圖所示，此時電路為同步Buck電路結(jié)構(gòu)，即和Buck電路工作方式相同。當(dāng)S1 閉合、S2斷開時，電流流向示意圖如紅色虛線所示，當(dāng)S1斷開、S2閉合時，電流流向示意圖如藍(lán)色虛線所示。

2.2 Boost 模式

當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)小于輸出電壓時，電源IC工作在升壓模式。即S1處于常閉、S2處于常開狀態(tài)，通過驅(qū)動S3和S4周期性地導(dǎo)通關(guān)閉，如下圖所示，此時電路為同步Boost電路結(jié)構(gòu)，即和Boost電路工作方式相同。當(dāng)S4 閉合、S3斷開時，電流流向示意圖如紅色虛線所示，當(dāng)S4斷開、S3閉合時，電流流向示意圖如藍(lán)色虛線所示。

2.3 Buck- Boost 模式

當(dāng)輸入電壓和輸出電壓相近時，電源IC工作在Buck- Boost模式。假設(shè)工作在Buck模式時，當(dāng)Vin下降接近Vout，達(dá)到Buck模式最大占空比時，電路會自動將開關(guān)管工作狀態(tài)切換到Buck- Boost 模式。假設(shè)工作在Boost模式時，Vin增大接近Vout，達(dá)到Boost最小占空比時，電路會自動將開關(guān)管工作狀態(tài)切換到Buck- Boost 模式。在Buck- Boost 模式下，四個開關(guān)管會同時進(jìn)行導(dǎo)通/關(guān)閉操作。此模式是一種過度和自適應(yīng)模式，工作狀態(tài)切換主要是由占空比決定。

小結(jié): Buck-Boost電路是通過調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比和開關(guān)頻率，以調(diào)節(jié)輸出電壓來實現(xiàn)升降壓。Buck-Boost電路包含控制電路來監(jiān)測輸出電壓以相應(yīng)地調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)，以保證輸出電壓穩(wěn)定。控制電路通常包括誤差放大器、信號發(fā)生器等。