降压升压变换器

开关模式电源(SMPS)的生态系统是一个广阔的丛林，有几种不同的动物:buck、boost、fly-back、半桥等等。虽然拓扑和应用可以有很大的不同，但它们都有一个共同的特点:能够精确地改变电压源的电平，同时保持高效和可控的功率流。SMPS通过使用开关在无功元件(如电感和电容器)之间周期性地摆动功率，利用它们的动态来获得和过滤所需的电压水平，从而实现这一目标。因此，输出电压的值是开关信号占空比的函数。在本文中，我们将介绍buck-boost转换器，这是一种SMPS拓扑，能够获得高于或低于输入电源的输出电压，使其成为一个非常灵活和全面的电路。这里我们将介绍该转换器的基本概念、操作模式和优缺点。最后给出了闭环降压升压电路，实现了控制理论对输出电压的自动调节。

基本概念

电路

像buck和boost拓扑结构一样，buck-boost是一个非隔离的功率转换器。然而，buck-boost能够提供比输入源更高或更低的电压。为了分析降压-升压变换器的工作，我们将应用与本文相同的推理方法电压升压篇文章。电路如图1所示，有趣的是，注意到元件的数量与降压和升压相同，但功能略有不同:输出电压的极性与输入电压相反。

图1:buck-boost拓扑

的在buck-boost变换器的状态与boost非常相似:输入电压给电感充电，并将能量存储在磁场中(图2)。在稳态工作时，电感电流线性增长，与输入电压成正比，与电感成反比。二极管隔离输入电压和输出电压，而电容器负责维持输出电压。的电压V_O随着RC时间常数的减小，因此电压纹波取决于电容器。这一步的输出电压为:

图2:Switch ON状态

当开关打开时，它断开了输入电压和电感之间的连接。由于储存的磁场防止电感突然改变电流值和方向，这个电流开始流过负载和电容器。另一方面，电感电压随输出电压而反转。因此，在从状态时，电感给负载供电并给电容器充电，将输出电压恢复到初始值。同时，电感电流呈线性下降，其斜率与输出电压成正比。在稳态工作时，该电流下降到ON状态的初始值。这一步的负载电压为:

图3:切换OFF状态

定性分析

因此，buck-boost的工作原理是将能量储存在电感器内，并将此能量传输到电路的右侧。因此，可以合理地假设输出电压将与占空比成正比:占空比等于0意味着输入电压从未连接到电感，导致输出电压为零。随着占空比的增加，电感能够从输入接收更多的能量，输出电压增加。为了直观地理解输入和输出之间的关系，请记住:

• 电感电流的斜率取决于电感电压和电感;
• 在稳态状态下，电感端电流从状态总是返回到ON状态的初始值。

图4:理解buck-boost比值

因此，随着占空比的增大，开、关时间之比增大，所以电流斜率也必须增大才能回到同一点。如果电感保持不变，这种补偿是通过增加输出电压来提供的。例如，当占空比为50%时，电感器充电和放电的时间相同，因此斜率相同，V_在= V_O．需要强调的是，这种定性分析只适用于稳态机制;否则，我们的第二个假设是不正确的。在暂态阶段，平均电感电流随着输出电压的增加而增加。由于输出电压降低该电流(负斜率)，最终达到一个平衡点，结束暂态状态。

操作模式

连续传导模式

与其他SMPS拓扑类似，buck-boost有两个基本操作:连续传导模式(CCM)和不连续传导模式(DCM)。CCM和DCM都是指电感电流。在CCM中工作时，电流永远不会达到零，因此它从一个初始值开始进入ON状态，在达到峰值后，它返回到初始点(图5)。因此，始终有电流流过电感。

图5:Buck-boost在CCM中运行

从前一节讨论的波形和分析中，我们可以通过匹配ON和OFF状态下的电流变化轻松找到传递函数:

不连续传导模式

在断续模式(DCM)中，在开时传递到电感器的能量不足以维持完全关时的电流流动，这迫使电感器电流在某一点上达到零(图6)。依赖于占空比的死区时间的存在阻止了我们使用CCM案例中使用的分析。

图6:Buck-boost在DCM中运行

输出电压可以通过计算输出电流I得到_O，等于直流二极管电流(因为电容器不允许直流电流流过)。下式是转换器参数对应的输出电压:

与CCM相比，D的DCM传递函数是非线性的(二次型)，并依赖于其他几个参数，如输入电压、开关频率、电感和负载需求。因此，在开环环境下设计和实现DCM降压增益的难度较大。

CCM vs DCM

在设计流程开始时，必须决定变换器是采用CCM、DCM还是两种方式工作。例如，DCM可以在轻负载下发生，而CCM需要更高的输出电流。应用每种方法都有几个优点，可用于指导设计:

• CCM
  • 较低的EMI和纹波;
  • 降低组件的当前峰值努力;
  • 易于设计;
  • 开载时不依赖于电路参数;

• 扩张型心肌病
  • 所需电感较低;
  • 开关损耗降低;
  • 二极管上无反向恢复损耗;
  • 在闭环应用中更容易控制;

利与弊

如前所述，buck-boost既是升压变换器，也是降压变换器。所以为什么我们还在使用金币和道具，如果它们只能被一个回路所取代呢?答案就在鸭子的比喻中:鸭子会飞、会游、会走，但不如其他只能做其中一种动作的生物。以同样的方式，如果我们只考虑升压或降压响应，buck-boost的性能会被buck和boost拓扑所超越。因此，在应用该电路之前，应考虑其优缺点。

优势

第一个明显的优点是能够同时提供升压和降压转换。这对于需要不同电压电平的相同组件或需要恒定调节输出的变化或不稳定输入的应用是必不可少的。此外，与其他拓扑结构相比，组件数量非常低:与buck和boost转换器完全相同，这大大降低了成本和复杂性。

缺点

buck-boost提供反向输出，这在一些应用中是禁止的。此外，输入电流是不连续的，导致在输入线上的EMI性能较差。对于较小或较大的占空比(> 0.7和< 0.3)，效率显著下降，因此建议采用中等范围的增益。最后，由于输出的极性颠倒，闭环反馈应用程序需要额外的复杂性来读取值。

可控的升压

虽然输出电压可以用传递函数方程设计，但不能保证制造误差或环境条件不会干扰最终值。此外，如果传递函数保持不变，输出容易发生输入变化。因此，通常采用闭环解决方案。图7显示了可以应用于buck-boost的一般框图。传感块读取输出电压，将其降低到更易于管理的值。然后，差分放大器将输入参考电压与输出电压进行比较，产生误差信号。该误差信号被反馈给调节器，调节器实现系统的控制部分。这一阶段通常采用PI或PID控制器。最后，控制信号转换为控制驱动器的PWM信号。驱动器是开关和仪表电子器件之间的接口，用于提供更多的电流能力和电气隔离。 If the system is well modelled, the output will remain stable even with large input variations.

图7:受控的Buck-Boost