四開關Buck-Boost變換器的討論

在非隔離電源方案中，Buck、Boost、Buck-Boost電路應用非常廣，很多工程師對這三種電路非常熟。下面我們一起聊聊四開關Buck-Boost電路。

常規的Buck-Boost電路，Vo=-Vin*D/(1-D)，輸出電壓的極性和輸入電壓相反。

簡要的四開關Buck-Boost電路，Vo=Vin*D/(1-D)，輸出電壓的極性與輸入電壓相同。

四開關buck-boost的拓撲很簡單，如下圖。

對于四開關buck-boost，它本身有一種非常傳統簡單的控制方式。

那就是Q1和Q3同時工作，Q2和Q4同時工作。并且兩組MOS交替導通，如上圖。

如果把Q2和Q4換成二極管，那么也是同樣能工作，只不過沒有同步整流而已。

對于這種控制方式，在CCM情況下我們可以得到公式：

Vin*D=Vout（1-D）也就是說，Vout=Vin*D/(1-D). 這個電壓轉換比和我們常見的buck-boost是一樣的。

只不過常見的buck-boost的輸出電壓是負壓，而四開關輸出的是正壓。

但是這種控制方式的優點是簡單，沒有模態切換。但是缺點是，四個管子都在一直工作，損耗大，共模噪音也大。

基于傳統控制方式的缺點。多年前，一家知名的IC公司推出了一款控制IC，革新了這個拓撲的控制方式。

其思路就是當Vin〉Vout的時候，把這個拓撲當純粹的BUCK來用，當Vin

但是，這種思路本身沒什么奇特之處。真正有技術含量的是，當VIn=Vout的時候，采用怎么樣的控制方式？

從buck過渡到中間模態，再過渡到boost的時候，如何做到無縫切換？這幾個問題，后來成為各家IC公司，大開腦洞，爭奪知識產權的戰場。

接下來，我來介紹某特公司的IC的控制邏輯。

先假設輸出為固定的12V，輸入假設為一個電池，充滿電電壓為16V，放電結束電壓為8V。

那么從輸入16V開始，此時的工作狀態顯然是BUCK

那么四個管子的驅動信號如下圖

那么當輸入電池電壓逐漸開始降低，M1的占空比也逐漸開始增大，而M2的占空比開始減小。

此時M2的占空比是個關鍵的參數。

因為IC內部對M2的脈寬有個最小設定，假如說是200ns。

那么現在假設輸入電壓掉到12.5V，而M2的脈寬也收縮到了200ns。IC內部的邏輯電路就認為到了模態切換的時候了。

此時發生的變化是，M3和M4兩個管子不再是常關和常通的狀態，而是開始開關了。

如果我們把上圖進行分解，就會發現一個有趣的現象，就是在一個clock周期里面，前半周期是buck，后半周期是boost

這個時候boost切進去的時候，M3是以最小占空比切入的，而且該占空比不可調。

此時M2的占空比則會從最小突然展寬以抵消boost模特切入的影響。在這個時候，輸出會產生一個動態效應。

那么當輸入繼續下降的時候，M2的占空比會繼續減小。

那么當M2再度回到最小占空比的時候，IC內部邏輯電路會認為模態需要再次轉換了。

此時，M2將固定在最小占空比，而M3則開始跳出最小占空比，可以逐漸展寬。理論上來說，這個過渡應該是完全無縫的切換，

但是由于芯片內部的clock時序的切換，也會對輸出造成一種動態效應。

這個時候，變成了前半周期是boost，后半周期是buck。

同樣，當輸入電壓繼續降低的時候，電路會切入完全的boost模態。

當然另外一家IC巨頭，某某儀器公司也有類似的IC，他們最大的區別，就是在buck-boost這個模態。

某某儀器的IC，在buck-boost模態，是一個周期是buck，下一個周期是boost，如此輪回。而某某爾特公司的IC卻是在一個周期內，前半周期是buck，后半周期是boost。

總的來說，兩家異曲同工。