电源小白入门学习5——BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、Ćuk、Sepic、Zeta电路

上一期我们学习了LDO的1选择与使用技巧，这一期我们来学习DCDC变换器的相关内容

DCDC简介

DC-DC转换器（DC-DC converter）是一种电力转换设备，用于将一种直流电压转换为另一种直流电压。它通常由开关元件（如晶体管或MOSFET）、电感、电容和控制电路等组成。

DC-DC转换器的主要功能是改变输入直流电源的电压水平，以满足不同电路或设备对电压的需求。它可以提供降压（Buck）、升压（Boost）、升降压（Buck-Boost）等不同类型的电压转换。

简单来说，就算能将一种的直流输入电压(或电流)变换成另一等级直流输出电压(或电流)的装置。常见的有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、除此之外还有Ćuk、Sepic、Zeta电路等。

BUCK电路

特点

• 只能做降压
• 降压升流
• 电压增益 = D
• 电流增益 = 1 / D

工作原理

如图是BUCK电路的基本结构，下面我们来分析以下BUCK电路的工作原理

• 当开关S关闭时，输入电压流经电感，给电容C充电和负载供电，电感上的电流增加，此时电感电压方向从左到右，电感左边为正，右边为负。输出电压为Vo = Vin - VL。
  
• 当开关S断开时，输入电压不在起作用，由于电感两端电压不能突变，会产生一感应电动势电感上的电流开始减小，电感电压为左负右正，电感和电容内储存的能量给负载供电。
• 在实际电路中，开关S会由控制芯片控制，一般的控制方式有PWM脉宽调制和PFM脉冲频率调制方式。
• 由于只有在开关S闭合时，电源才会作用到后面电路，其余时候则是由电感和电容储存的能量给负载供电，在不考虑元器件的开关损耗且电路与稳态、连续（COM）的情况下，可以推导出Vout = Vin * D(D为PWM的占空比)
  

下面介绍一些BUCK电路的重要参数

• Vout = Vin * D ; D= Ton * fs (fs为控制芯片内部的开关频率)
• ∆IL(电感纹波电流) = Vout * (1 - Vout / Vin) / L*fs 输入电压越大纹波电流也越大，在电路设计时需要以最大输入电压计算纹波电流，一般设计纹波电流在输出电流的0.2倍到0.4倍之间。
• 较大的纹波电流可以提供更高的输出效率，但也会增加电感的损耗和温升，较小的纹波电流有助于提高电路稳定性。
• L = Vout * (1 - Vout / Vin) / ΔIL * fs 电感的选择需要按照最高输入电压计算，并留有一定余量
• IL(MAX) = Iout + 0.5 * ΔIL 要求电感的饱和电流 小于 IL(MAX)

同步BUCK和非同步BUCK的区别

• 这个是同步BUCK。（其中MBOT替代了续流二极管的位置，MTOP与MBOT处于交替开启状态）
  

• 这个是非同步BUCK

• 同步BUCK比非同步BUCK拥有更高的能量转换效率。

伏秒平衡与安秒平衡

• 在我们前面的分析中，都是基于DCDC变换器工作中稳态，元件均为理想元件，线路阻抗为0，开关频率足够高，电感上的电流、电容的电压近似不变的情况。
• 此时对于电感有伏秒平衡：开关打开期间电感电压对开启时间的积分 = 开关闭合期间电感的电压对闭合时间的积分 （其本质就是在一个周期内，电感储存的能量 = 电感释放的能量）- 后面的电路输出都可以从这个公式推出。
• 对于电容有安秒平衡，原理同电感。

最后是开关开启和关闭时各器件的电压与电流变化趋势

BOOOST电路

特点：

• 只能做升压
• 升压降流
• 电压增益 = 1/ （1 - D）
• 电流增益 = 1 - D

工作原理

• 如图是BOOST电路的基本结构，下面我们来分析一下工作原理

• 开关S闭合，后级电路被短路，前级电路电流通过电感和开关，后级电路电容C放电，提供输出电压给负载，电容电压从大于Cin开始减小(电容电压会一直大于Vin）。此时电感上电流增加，电压左正右负。VL = Vin。
  
• 当开关断开时，电流通过电感L和二极管D给电容C充电且提供负载电压。此时电感上的电压差减小，电流开始减小，由于电感的自感，此时电压左负右正，给电容充电，电容电压增加(电容电压一直大于Vin)，同时给负载供电。

输出电压推导

• 由电感的伏秒积平衡：VinDTs = （Vo-Vin）*(1-D)*Ts
• 得到： Vout = V_IN/(1−D) ； D=1 − Vin / Vout

BOOST电路的重要参数：

• Vout = Vin / ( 1 − D ) ; D = 1 − Vin / Vou
• ΔIL(电感纹波电流) = Vin / L * Ton = Vin ∗ ( 1 − Vin / Vout ) / L* fs 输出电压越大，电感纹波电流越大(Vout = 2 * Vin 时最大) ，一般选择ΔIL在0.2倍输入电流到0.4倍输入电流之间。
• IL(MAX) = Iout * Vout / （电源转换效率 * Vin）+ ΔIL / 2 ，电感电流最大值需要小于电感的饱和电流 。

开关开启和关闭时各器件的电压与电流变化趋势

BUCK- BOOST电路

上面我们介绍了BUCK和BOOST电路，他们都只能做降压或升压，现在我们来介绍以下BUCK-BOOST电路

BUCK-BOOST电路是一种电源转换电路，可以实现输入电压的升压和降压。这种电路通常由开关管、电感器、二极管和输出电容组成。BUCK-BOOST电路的作用是根据需要调整输出电压，使之高于或低于输入电压。

BUCK-BOOST电路可以实现对升降压。

BUCK - BOOST电路的推导过程

• BUCK-BOOST电路就是BUCK电路加上一个BOOST电路
  
  很明显，这个电路存在一个问题：元件太多了，实现的成本很大，所以我们做出如下改进：

1. BUCK和BOOST电路共用一个开关S和续流二极管D。

那么Vout = - Vin * D/（1-D），发现当D的之变化时，同样可以实现升降压

2. L1、L2、C1组成的LCL网络在低频状态下可以由一个电感L代替(具体推导过程我也不是很懂，直接放结论)

有了以上内容，我们就可以对电路进行简化了：

但是，我们还需要解决一个问题：我们前面讲S1和S2可以用同一个开关控制，D1和D2可以用同一个开关控制，那具体思把哪一个元件去掉，去掉后的位置该这么放呢？

• 开关S导通时，电流通过S1经过电感L在经过S2，这个时候，S2可以省略。
  

• 当开关S断开时，电流通过电感流经D2和D1，这里我们可以吧D2省略，同时讲整个输出回路翻转
  

• 最后，我们将开关闭合断开时的简化电路拼到一起，就得到了BUCK-BOOST电路

BUCK-BOOST电路分析

特点：

• 输出电压Vout = - D* Vin / (1 - D) 与输入电压相反。
• 可以升降压
• 电压增益 = D /1-D
• 电流增益 = 1 - D / D

BUCK-BOOST电路的工作原理

• 当开关闭合时，电源给电感充电，电感上电流增加，电压上正下负，后级电路电容给负载供电。
  
• 当开关断开时，电感释放能量，电感电流减小，电压上负下正。给电容充电和负载充电。

Ćuk电路(BOOST-BUCK电路化简而来)

与BUCK-BOOST电路类似，Ćuk电路电路是由BOOST-BUCK电路构成，并且通过上面的方法推导化简来的，这里我们就不做讲解，直接放结论。

特点

• 输出电压Vout = - D* Vin / (1 - D) 与输入电压相反。
• 可以升降压
• 电压增益 = D /1-D
• 电流增益 = 1 - D / D

Sepic电路(Ćuk电路从输出端入手调整D与L2的位置。)

将 Ćuk电路的输出端翻转过来，就形成了Sepic电路

特点

• 输出与输入同向
• 也可以做升降压，但是需要的元件更多，所以不经常使用

Zeta电路(Ćuk电路从输入端入手调整S与L1的位置)

将Ćuk电路的输入端翻转过来，就形成了Zeta电路

特点

• 输出电压Vout = - D* Vin / (1 - D) 与输入电压相反。
• 可以升降压
• 电压增益 = D /1-D
• 电流增益 = 1 - D / D