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BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析

發(fā)布時(shí)間:2023-05-06 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在非隔離電源方案中,基礎(chǔ)拓?fù)涞腂uck、Boost、Buck-Boost電路中,前兩種已經(jīng)在前面章節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)描述。很多工程師對(duì)Buck和Boost電路都特別熟悉,只是對(duì)Buck-Boost不熟悉。


在非隔離電源方案中,基礎(chǔ)拓?fù)涞腂uck、Boost、Buck-Boost電路中,前兩種已經(jīng)在前面章節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)描述。很多工程師對(duì)Buck和Boost電路都特別熟悉,只是對(duì)Buck-Boost不熟悉。


Buck表示降壓,Boost表示升壓,那么顧名思義,Buck-Boost表示升降壓。作為基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Buck-Boost電路雖然可以升降壓,但是輸出跟輸入比確實(shí)一個(gè)極性相反的電壓,即:產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓。


Buck-Boost電路是一種常用的DC/DC變換電路,其輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓,但輸出電壓的極性與輸入電壓相反。下面我們?cè)敿?xì)討論理想條件下,Buck-Boost 的原理、元器件選擇、設(shè)計(jì)實(shí)例以及實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。


電路原理

Buck-Boost電路簡(jiǎn)圖如圖1。


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


當(dāng)功率管Q1閉合時(shí),電流的流向見圖2左側(cè)圖。


輸入端,電感L1直接接到電源兩端,此時(shí)電感電流逐漸上升。導(dǎo)通瞬態(tài)時(shí)di/dt很大,故此過程中主要由輸入電容CIN供電。輸出端,COUT依靠自身的放電為RL提供能量。當(dāng)功率管Q1關(guān)斷時(shí),電流的流向見圖2右側(cè)圖。輸入端VIN給輸入電容充電。輸出端,由于電感的電流不能突變,電感通過續(xù)流管D1給輸出電容COUT及負(fù)載RL供電。


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


系統(tǒng)穩(wěn)定工作后,電感伏秒守恒。Q1 導(dǎo)通時(shí),電感電壓等于輸入端電壓VIN;Q1關(guān)斷時(shí),電感電壓等于輸出端電壓VOUT。設(shè)T為周期,TON為導(dǎo)通時(shí)間,TOFF為關(guān)斷時(shí)間,D為占空比(D=TON/T),下同。由電感伏秒守恒有:

由此可得:


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占空比小于0.5時(shí),輸出降壓;占空比大于0.5時(shí),輸出升壓。以上式子只考慮電壓的絕對(duì)值,未考慮輸出電壓的方向。


元器件計(jì)算及各點(diǎn)波形(電感電流連續(xù)模式)


以下均在電感電流連續(xù)模式下討論,即CCM。


首先我們先看一下各點(diǎn)理想情況下的波形:


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


電感 L1

通常ΔI可以取0.3倍的IIN+IOUT,在導(dǎo)通時(shí),電感的電壓等于輸入電壓,電感感量可由下式計(jì)算:


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


若按上述感量選擇電感,則流過電感的峰值電流:


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


實(shí)際應(yīng)用應(yīng)留有一定的余量,電感的電流能力通常取1.5*(IIN+IOUT)以上


續(xù)流二極管D1

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),續(xù)流二極管的陰極SW點(diǎn)電壓為VIN,續(xù)流二極管的陽極電壓為-VOUT,故D1承受的電壓為:


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管續(xù)流,電流的峰值為ILPEAK,平均電流為IOUT。


由于二極管在高溫下漏電容易造成芯片的損壞,故通常要留有一定的余量,其中電壓建議1.5倍的余量。


功率管Q1

當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí),SW點(diǎn)電壓被鉗位到-VOUT,故功率MOS承受的最大電壓:


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當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),Q1的電流峰值為ILPEAK,平均電流為IIN。


輸入電容

輸入電容紋波電流有效值可用下式計(jì)算:


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


如果設(shè)CIN電容在MOS導(dǎo)通時(shí),電壓跌落不超過ΔV1,則可用下式計(jì)算最小容量:


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設(shè)計(jì)實(shí)例

要求

輸入電壓10~14V,輸出電壓-5V,輸出電流1A,選取合適的芯片,并計(jì)算主要元器件參數(shù)。


解決步驟

1.計(jì)算輸入電流:輸出功率約5W,輸入最大電流,假設(shè)80%的效率,則輸入電流為 5W/0.8/10V=0.625A;:

2.計(jì)算輸入峰值電流:1.15*(1A+0.625A)=1.87A;

3.計(jì)算功率管、續(xù)流肖特基管峰值電壓:|-5V|+|14V|=29V;

4.選擇合適的芯片,可選耐壓為40V左右,電流能力大于2A以上的BUCK降壓芯片,此處選擇XL4201;

5.計(jì)算10V時(shí)的占空比:D=5V/(5V+10V)=0.33;

6.計(jì)算電感量:L=0.33*10V/(0.3*150KHz*(1A+0.625A))=45uH;

7.計(jì)算最小電流能力IL=1.5*(1A+0.625A)=2.44A,選用47uh/3 電感;

8.肖特基二極管耐壓要大于29V,平均電流1A,峰值電流約1.87A,可選SS36;

9.輸入電容紋波電流有效值:ICINRMS=0.625A*sqrt((1-0.33)/0.33)=0.89A,“sqrt”代表根號(hào);

10.假設(shè)輸入電壓最大跌落0.05V,則CIN=(1-0.33)*0.625A/(0.05V*150KHz)=56uF,選用47uF電解電容;

11.輸出電容紋波電流有效值:ICOUTRMS=1A*sqrt(0.33/(1-0.33))=0.70A;

12.假設(shè)輸出放電電壓最大跌落0.05V,則COUT=0.33*1A/(0.05V*150KHz)=44uF,選用100uF電解電容。


實(shí)際電路可參考下圖:


BUCK-BOOST 拓?fù)潆娫丛砑肮ぷ鬟^程解析


注意事項(xiàng)

1. 芯片與肖特基二極管D1的耐壓均要大于輸入電壓與輸出電壓絕對(duì)值之和;

2. CINB與C1為芯片提供純凈電源,CINB可以選用10uF以上電容即可;

3. 芯片的GND引腳與輸入、輸出功率地不是同一屬性,注意區(qū)分;

4. BUCK-BOOST電路的效率要低于單純的BUCK或BOOST電路,實(shí)際使用時(shí)要注意多留余量。

(來源:硬件十萬個(gè)為什么微信公眾號(hào)


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