BUCK、BOOST、BUCK-BOOST电路原理分析

一、前导

DC-DC

DC-DC电源，即直流-直流变换器，是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器。DC-DC有多种拓扑结构，如BUCK（降压）、BOOST（升压）、BUCK-BOOST（升降压）三大基本拓扑结构。

斩波器的工作方式有两种，一是PWM波“定频调宽”，即脉宽调制方式Ts不变，改变 $\text{[math]}$ (通用)；二是PFM波“定宽调频”，即频率调制方式， $\text{[math]}$ 不变，改变Ts（易产生干扰）。通过这两种方式来控制电路开关管的导通与关断。

一般用PWM波控制，本文所述为PWM控制开关管的通断。PWM波可用单片机产生，也可以使用PWM波专用芯片，如UC3842。

工作模式

CCM：电感电流连续工作模式

DCM：电感电流不连续工作模式

BCM：电感电流连续工作模式（周期结束时电感电流刚好降为0）

看电感电流是否连续可以从每个周期的电感电流是否从0开始来判断。

伏秒积平衡原理

伏秒积,即电感两端的电压V和这段时间T的乘积。伏秒平衡原理：在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。即：

$\text{[math]}$

在开关电源稳定的状态下，电感的充放电属于一个稳定的状态，开关管导通期间流入电感的电流也等于开关管关闭期间流过电感的电流, $\text{[math]}$ 。

又由电感的电压公式 $\text{[math]}$ ，可得 $\text{[math]}$ ，即伏秒平衡。

电容电感特性

电容阻碍电压变化，通高频，阻低频，通交流，阻直流;

电感阻碍电流变化，通低频，阻高频，通直流，阻交流;

二、BUCK电路

Buck变换器，也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。单管：续流二极管。作用是续流，在BUCK电路中，二极管D形成了续流回路，因此D也叫作续流二极管。。不隔离：输入输出在同一个闭环电路中，没有变压器元器件将它们隔离开。如图，这是最基本的BUCK电路。

首先晶体管Q1起开关的作用，可以导通和关断电流，常见的开关管有三极管、MOSFET等。但是这个开关管受电路输出的驱动脉冲控制，不能用一个单刀双掷开关。

PWM(Pulse、width、modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比D=Ton/Ts。

电容C1作为滤波电容，可降低输出电压Uo的脉动。

如图，当Q导通的时候，二极管截止，此时电流就要经过电感，然后流向负载R1。电感中的电流在线性增长的同时会发生自感,自感就又会阻碍电流的上升。电感就将电能转换为磁能储存起来了，此时自感电势的方向左正右负。

如图当开关管断开时，就没有电流流向电感了。但是电感电流不会突变为0，而是在慢慢的减少，由于电感阻碍电流变化，所以这时候就产生了左负右正的自感电势，使得二极管D1导通。电流在减少的同时，L中之前存储的磁能就转化为电能释放出来给负载R。

这里的电容是滤波电容，目的是降低输出电压Uo的脉动。

在CCM工作模式（电感电流连续工作模式）下时，电感足够大。

首先在导通期间，电感电压 $\text{[math]}$ ，电感的电流会从最小值上升到最大值,电流增量(Us即Ui)

当开关管断开时，电感的电压 $\text{[math]}$ =-Uo。电感电流就从最大值下降到最小值。电流减少量

如果BUCK电路是一个稳定的电路，它就会保持的稳定的开关管的通断，开关管导通期间流入电感的电流等于开关管关闭期间流过电感的电流，即

整理之后得到

根据上式可以得到，我们这个输出电压是输入电压在乘以占空比，即开关管打开的时间Ton/周期Ts。又因为Ton≠Ts，所以输出电压的一定是小于输入的电压，这也就是BUCK电路的原理，而且输出电压的大小是可以操控，我们可以通过改变PWM波的占空比来控制输出电压的值。

在DCM的工作模式下，也有 $\text{[math]}$ 。此模式就是电感比较小，负载比较大。周期Ts比较长的情况，电感电流已经降为0了，但是新的周期还没开始。所以每个新的周期电感电流都是从0开始线性增加的。这种模式下，电感的电流是有三种状态的：线性增加、线性减少、闲置（ $\text{[math]}$ =0）

DCM工作模式下会使电路带载能力降低，稳压精度变差，纹波电压大。所以通常要求BUCK电路在CCM工作模式下工作。当然，也存在一种临界条件，就是当一个周期刚好结束的时候，电感的电流也刚好减小为0，这种模式称为BCM。

另一种角度解释：

电路在开关电源稳定的状态下，开关管导通期间流入电感的电流也等于开关管关闭期间流过电感的电流, $\text{[math]}$ ，且满足伏秒平衡原理： $\text{[math]}$ 即(Ui-Uo)TD=Uo(Ts-TD)

三、BOOST

Boost变换器也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比D必须小于1，不允许在Dy=1的状态下工作。电感L1在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式。这是最简单的BOOST升压电路。

首先，若很长时间没有对开关管进行控制，所有元器件是属于理想状态，所以Uo=Ui；

如图当开关管导通时，同理，电感中的电流成线性增加，电感自感阻碍电流上升，电感将电能转为磁能存储起来。二极管的作用是防止电容对地放电。

如图当开关管关闭时，此时电感的电流又降开始慢慢减少。由于自感的作用阻碍电流的减小，电感两端是左负右正，所以输出端的电压就成了Uo=Ui+UL。输出电压大于输入电压。

对于电感有Uon=Ui,Uoff=Uo-Ui，由伏秒平衡原理得Ui*TD=(Uo-Ui)*(Ts-TD),化简可以得到

可以通过改变PWM占空比来控制输出电压的大小。

四、BUCK-BOOST电路

Buck/Boost变换器，也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。如图是buck/boost converter最简单的电路图。

如图当开关管导通时，输入电流从流过电感直接到地，右端输出主要由电容放电来维持。Uon=Ui-Uq通常情况下忽略Uq的压降,即Uon=Ui

如图当开关管关闭时，电感电流从地流向负载R和电容C，在流经二极管后回到电感。其过程就是L释放能量和电容充电的一个过程。所以Uoff=Uo-Ud,二极管的压降一般也是忽略不计的,即Uoff=Uo

由伏秒平衡原理得Ui*TD=Uo*(Ts-TD),化简可以得到

这时候我们就会想，怎么控制输出电压是降压还是升压呢？控制开关管的PWM波的占空比就起了很大的作用。如果占空比大于1/2，升压；反之降压。

五、小结

1.Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压、U0小于输入电压Ui，极性相同。BUCK型DC-DC只能降压，降压公式：Vo=Vi*D。

2.Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压、U0大于输入电压Ui，极性相同。BOOST型DC-DC只能升压，升压公式：Vo=Vi/(1-D)。

3.Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。BUCK-BOOST型DC-DC，即可升压也可降压，公式：Vo=(-Vi)* D/（1-D）。

#4.Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电、压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。

5.开关管：一般使用功率三极管或功率MOS管，由PWM波信号来控制开关管通断。

6.电感：储能作用，电感在储能和释能转换时，电感的正负极会发生反向。流经电感的电流不能突变，只能逐步变大或变小。

7.二极管：限流作用

8.电容：滤波作用

9.电阻：负载

附加内容

先存着，后续详细内容再发新帖吧。。。

DC-DC的PCB设计布局布线注意事项

DC-DC的功率管脚应大面积铺铜皮较少电源的温升

根据载流原则处理好输入输出主回路（注意铺铜的通流能力和过孔的数量）

反馈线不能绕着电感L走

开关电源芯片及其电感下面尽量不要布其他信号线

二极管续流回路尽可能短

DC-DC芯片的散热焊盘上需打矩阵过孔作进一步散热处理

布局要紧凑，输入输出主干道采用“一”字型获“L”型布局方式

关键滤波电容的放置要合理，采用先大后小的布局原则

输出供电电源应从输出电容取电

对于多路输出的开关电源尽量使相邻的电感垂直分布（麦克斯韦定律磁场相互垂直可抵消干扰）

DC-DC与LDO的优缺点及选型

开关性稳压电源的效率很高，一般可达到80％以上，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

DC-DC优点：效率高，输入电压范围较宽，驱动力较强。

DC-DC缺点：负载响应比LDO差，输出纹波比LDO大。

LDO优点：负载响应快，稳定性好，输出纹波小。

LDO缺点：效率低，输入输出的电压差不能太大，驱动能力较小，负载不能太大。

在实际使用中，应综合考量上述优缺点来进行器件选型。

同等条件下DC-DC和LDO谁的体积更大？根本原因是什么？

同等条件下，LDO的体积更大。由于LDO的转换率更低，耗散功率更大，所以发热量更大，因此在设计时会考虑散热问题，所以其体积在其他条件相同时会相对DC-DC要大一些。