Buck-Boost电路设计
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500W Buck/Boost电路设计与仿真验证
一、主电路拓扑与控制方式
Buck/Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器，其主电路与Buck或Boost变换器所用元器件相同，也有开关管、二极管、电感和电容构成，如图1-1所示。与Buck和Boost电路不同的是，电感L f在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压相反。开关管也采用PWM控制方式。Buck/Boost变换器也有电感电流连续喝断续两种工作方式，本文只讨论电感电流在连续状态下的工作模式。图1-2是电感电流连续时的主要波形。图1-3是Buck/Boost变换器在不同工作模态下的等效电路图。电感电流连续工作时，有两种工作模态，图1-3(a)的开关管Q导通时的工作模态，图1-3(b)是开关管Q关断、D续流时的工作模态。
V o
图1-1 主电路
V
i LF
i Q
i D
V
图1-2 电感电流连续工作波形
V o
V o
(a) Q导通(b) Q关断，D续流
图1-3 Buck/Boost不同开关模态下等效电路二、电感电流连续工作原理和基本关系
电感电流连续工作时，Buck/Boost 变换器有开关管Q 导通和开关管Q 关断两种工作模态。
在开关模态1[0~t on ]：
t=0时，Q 导通，电源电压V in 加载电感L f 上，电感电流线性增长，二极管D 戒指，负载电流由电容C f 提供：
f L f
in di L V dt
=
(2-1)
o
o LD
V I R =
(2-2)
o
f
o dV C I dt
= (2-3)
t=t on 时，电感电流增加到最大值max L i ，Q 关断。在Q 导通期间电感电流增加量f
L i ∆
f in
L y f
V i D T L ∆=
⋅ (2-4)
在开关模态2[t on ~ T]:
t=t on 时，Q 关断，D 续流，电感L f 贮能转为负载功率并给电容C f 充电，f
L i 在输出电压
Vo 作用下下降：
f L f
o di L V dt
=
(2-5)
f o o o
L f
o f LD
dV dV V i C I C dt dt R =+=+ (2-6)
t=T 时，f
L i 见到最小值min L i ，在t on ~ T 期间f
L i 减小量f
L i ∆为：
(1)f o o L off y f f
V V
i t D T L L ∆=
⋅=- (2-7)
此后，Q 又导通，转入下一工作周期。由此可见，Buck/Boost 变换器的能量转换有两
个过程：第一个过程是Q 开通电感L f 贮能的过程，第二个是电感能量向负载和电容C f 转移的过程。
稳态工作时，Q 导通期间f L i 的增长量应等于Q 关断期间f L i 的减小量，或作用在电感L f 上电压的伏秒面积为零，有：
1y o
in y
D V V D =
- (2-8)
由(2-8)式，若D y =0.5，则V o =V in ；若D y <0.5，则V o
1y i
o y
D I I D =
- (2-9)
开关管Q 截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压和输出电压之和，这也是二极管D 截止时所承受的电压
1in o ce D in o y y
V V
U U V V D D ==+=
=-
(2-10)
由图1-2可见，电感电流平均值f
L i 等于Q 和D 导通期间流过的电流平均值I Q 和I D 之
和，即：
max min
2
f L L L Q D i i i I I +=
=+
(2-11)
max min f in
L L L y f V i i i D L f
∆=-=
(2-12)
负载电流I o 等于流过二极管D 电流的平均值I D ，即在t=t on ~ T 期间电感电流的平均值
(1)f o
o L y LD
V I I D R =
=- (2-13)
f in L y I I D =
(2-14)
电感电流最大值max
f L
i 和最小值min
f L
i 为：
max 1
22f f f f in L L L L y f V i I i I D L f =+∆=+⋅
(2-15)
min 1
22f f f f in L L L L y f V i I i I D L f
=-∆=-⋅
(2-16)
开关管Q 和二极管D 电流的最大值max Q i 、max D i 等于电感电流最大值max
f L
i
max max max 1
(1)212f f f o o Q D L L L y y f I V i i i I i D D L f
===+∆=+-- (2-17)
Q 导通期间，电容C f 电压的变化量即输出电压脉动o V ∆由Q 导通期间f C 放电量
f C o y Q I D T =计算，因f C f o Q C V =⋅∆，故
o y o f I D V C f
∆=
(2-18)
三、实验参数计算