BUCK-BOOST电路的原理及设计选型
2021-02-23

1 引言


BUCK-BOOST电路是一种常用的DC/DC变换电路,其输出电压既可低于也可高于输入电压,但输出电压的极性与输入电压相反。下面我们详细讨论理想条件下,BUCK-BOOST的原理、元器件选择、设计实例以及实际应用中的注意事项。


2 BUCK-BOOST电路原理


BUCK-BOOST电路简图

图1.BUCK-BOOST电路简图


当功率管Q1闭合时,电流的流向见图2左侧图。输入端, 电感L1直接接到电源两端,此时电感电流逐渐上升。导通瞬态时di/dt很大,故此过程中主要由输入电容CIN供电。输出端,COUT依靠自身的放电为RL提供能量。


当功率管Q1关断时,电流的流向见图2右侧图。输入端VIN给输入电容充电。输出端,由于电感的电流不能突变,电感通过续流管D1给输出电容COUT及负载RL供电。


系统稳定工作后,电感伏秒守恒。Q1导通时,电感电压等于输入端电压VIN;Q1关断时,电感电压等于输出端电压VOUT。设T为周期,TON为导通时间,TOFF为关断时间,D为占空比(D=TON/T),下同。


■由电感伏秒守恒有:

VIN*TON=VOUT*TOFF

VIN*D*T=VOUT*(1-D)*T


■由此可得:

VOUT=D/(1-D)*VIN

D=VOUT/(VOUT+VIN )   

占空比小于0.5时,输出降压;占空比大于0.5时,输出升压。以上式子只考虑电压的绝对值,未考虑输出电压的方向。


图2.BUCK-BOOST电流流向

Q1闭合

Q2断开

 

3 BUCK-BOOST元器件计算及各点波形 (电感电流连续模式)


以下均在电感电流连续模式下讨论,即CCM。

首先我们先看一下各点理想情况下的波形:

图3.关键元器件电压、电流波形



电感L1

通常ΔI可以取0.3倍的IIN+IOUT,在导通时,电感的电压等于输入电压,电感感量可由下式计算:

L=(D*VIN)/(0.3*FSW*(IIN+IOUT ) )

若按上述感量选择电感,则流过电感的峰值电流:

ILPEAK=IIN+IOUT+∆I/2=1.15*(IIN+IOUT)

实际应用应留有一定的余量,电感的电流能力通常取1.5*(IIN+IOUT)以上。


续流二极管D1

当Q1导通时,续流二极管的阴极SW点电压为VIN,续流二极管的阳极电压为-VOUT,故D1承受的电压为:

VD=|VIN|+|VOUT|

当Q1关断时,续流二极管续流,电流的峰值为ILPEAK,平均电流为IOUT。

由于二极管在高温下漏电容易造成芯片的损坏,故通常要留有一定的余量,其中电压建议1.5倍的余量。


功率管Q1

当Q1关断时,SW点电压被钳位到-VOUT,故功率MOS承受的最大电压:

VMOS=|VIN|+|VOUT|

当Q1导通时,Q1的电流峰值为ILPEAK,平均电流为IIN


输入电容

输入电容纹波电流有效值可用下式计算:


如果设CIN电容在MOS导通时,电压跌落不超过ΔV1,则可用下式计算最小容量:


输出电容

输出电容纹波电流有效值可用下式计算:

如果设COUT电容在MOS导通时,电压跌落不超过ΔV2,则可用下式计算最小容量:


4 设计实例


要求

输入电压10~14V,输出电压-5V,输出电流1A,选取合适的芯片,并计算主要元器件参数。


解决步骤

计算输入电流:输出功率约5W,输入最大电流,假设80%的效率,则输入电流为5W/0.8/10V=0.625A;


计算输入峰值电流:

1.15*(1A+0.625A)=1.87A

计算功率管、续流肖特基管峰值电压:|-5V|+|14V|=29V;

选择合适的芯片,可选耐压为40V左右,电流能力大于2A以上的BUCK降压芯片,此处选择XL4201;


计算10V时的占空比:

D=5V/(5V+10V)=0.33


计算电感量:

L=0.33*10V/(0.3*150KHz*(1A+0.625A))=45uH


计算最小电流能力:

IL=1.5*(1A+0.625A)=2.44A

选用47uh/3电感;

肖特基二极管耐压要大于29V,平均电流1A,峰值电流约1.87A,可选SS36;


输入电容纹波电流有效值:

ICINRMS=0.625A*sqrt((1-0.33)/0.33)=0.89A

“sqrt”代表根号;

假设输入电压最大跌落0.05V,则

CIN=(1-0.33)*0.625A/(0.05V*150KHz)=56uF

选用47uF电解电容;


输出电容纹波电流有效值:

ICOUTRMS=1A*sqrt(0.33/(1-0.33))=0.70A

假设输出放电电压最大跌落0.05V,则

COUT=0.33*1A/(0.05V*150KHz)=44uF

选用100uF电解电容。


实际电路可参考下图:

图4.XL4201 BUCK-BOOST参考电路图


五、注意事项
1

 芯片与肖特基二极管D1的耐压均要大于输入电压与输出电压绝对值之和;

2

 CINB与C1为芯片提供纯净电源,CINB可以选用10uF以上电容即可;

3

 芯片的GND引脚与输入、输出功率地不是同一属性,注意区分;

4

 BUCK-BOOST电路的效率要低于单纯的BUCK或BOOST电路,实际使用时要注意多留余量。

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