第7课(下):升降压与双向 BUCK-BOOST

硬件学习路线 · 前两页分别学了降压(BUCK)和升压(BOOST)。这一页讲"输入时高时低"怎么办,以及能量"来回流动"的双向变换器

一、为什么需要升降压?

前面两个拓扑都有明显的限制:BUCK 只能降压,BOOST 只能升压。但现实中很多电源,输入电压会在高于、低于、等于输出之间来回变化:

类比:BUCK 是只会"往下送"的水泵,BOOST 是只会"往上提"的水泵。如果水位有时高、有时低,而你需要的水位恒定,就得准备一台"既能往上提,又能往下放"的水泵。升降压变换器就是这台"两用泵"。
一个简单的判断:输入比输出高,用 BUCK;输入比输出低,用 BOOST;输入和输出差不多,甚至时高时低,用升降压。

二、四开关升降压(非反相):输出极性不变

最常用的升降压结构是四开关(Four-Switch):把一个 BUCK 的半桥和一个 BOOST 的半桥,用一个电感连在一起,共四颗开关。输出仍然是正电压,极性与输入相同。

四开关升降压 两组半桥通过电感连接
Q1Q3Q2Q4VinVoutSW1SW2L系统 GND左右桥臂通过电感连接 · 输出滤波和驱动未画出

2.1 三种工作模式

模式条件哪个桥臂工作有效占空比
降压(Buck) Vin > Vout 左桥(Q1/Q2)PWM;右桥 Q3 保持导通、Q4 保持关断 D 为 Q1 导通占比,理想 CCM:D = Vout / Vin
升压(Boost) Vin < Vout 左桥 Q1 保持导通、Q2 保持关断;右桥(Q3/Q4)PWM D 为 Q4 导通占比,理想 CCM:D = 1 − Vin / Vout
升降压(Buck-Boost) 一种可用于跨越输入输出电压的调制示例 示例:Q1/Q4 一组、Q2/Q3 一组,两组交替 示例中 D 为 Q1/Q4 导通占比:D = Vout / (Vin + Vout)
理想两状态示例:Vout = Vin × D / (1 − D) 条件:连续导通稳态、忽略死区和损耗;D 期间 Q1/Q4 导通、Q2/Q3 关断,1−D 期间相反。当 Vin = Vout 时此示例 D = 0.5。实际控制器的模式及占空比定义可能不同,应查具体手册。

2.2 为什么可以让两组桥臂配合?

输入与输出接近时,一些控制器会采用两桥臂配合的调制,让电感在不同开关状态下获得正、负电压。是否使用这种模式、如何切换以及占空比限制,取决于控制器实现;并非所有四开关控制方式都遵循上面的两状态公式。

类比:想象一个跷跷板。BUCK 是一边压下,BOOST 是另一边抬起。输入和输出相差很大时,只需要一边工作;两者差不多时,两边都要配合,跷跷板才能保持平衡。
切换区要特别小心:在两种模式之间切换时,控制器必须平稳过渡,否则输出会有明显的"台阶"或振荡。这是升降压芯片设计中的难点,也是选型时要查看的重点(例如模式切换时的纹波、负载瞬态)。

三、反相升降压(输出为负)

另一种经典结构是反相升降压(Inverting Buck-Boost):只有一颗开关、一颗二极管、一个电感,输出电压与输入极性相反。

反相 Buck-Boost 输出相对系统地为负电压
Q负载Vin(正)Vout(负)LDCout+系统 GND(输入与输出共参考)D 的阳极接负输出,阴极接 SW;输出电容正极接地
Vout = − Vin × D / (1 − D) D = |Vout| / (Vin + |Vout|) 理想稳态连续导通模式(CCM)、忽略损耗。例:Vin = 12 V,要 Vout = −5 V,则 D = 5 / (12 + 5) ≈ 0.294

3.1 应用场合

别忘了地:经典非隔离反相升降压以输入负端和输出正端为共同系统地,负输出相对于系统地为负。部分用降压芯片改造的方案中,芯片的 GND 引脚可能接负输出;测量时不可把芯片 GND 引脚误当成系统地。

四、SEPIC 与 Ćuk 简介:更"温和"的升降压

还有两种常见的升降压拓扑:SEPIC 是非反相正输出,而经典 Ćuk 是反相负输出,二者结构不同:

拓扑结构特点优点缺点
SEPIC 两个电感 + 一个耦合电容 + 一个开关 + 一个二极管 输入电流连续,输出为正,输入输出可以相同或相反地跨越 元件多,耦合电容要承受较大的纹波电流
Ćuk(丘克) 两个电感 + 两个电容 + 一个开关 + 一个二极管 输入、输出电流都连续,纹波小,适合对噪声敏感的场合 输出为负,且能量需要通过电容中转,体积较大
SEPIC:Vout = Vin × D / (1 − D)(非反相) Ćuk: Vout = − Vin × D / (1 − D)(反相) 公式形式与反相升降压相同,但电流连续性更好
选型参考:如果你需要的是正输出、且输入可能高于或低于输出,四开关升降压通常是首选;如果对输入输出电流的纹波要求特别高,可以考虑 SEPIC 或 Ćuk。

五、双向 BUCK-BOOST:能量可以"回头"

前面几种拓扑都有一个固定的能量方向:从输入流向输出。而双向 BUCK-BOOST 的特点是:同一套硬件,既能让能量从 A 端流到 B 端,也能反过来从 B 端流回 A 端。

充电方向(正向) 母线(高压侧)→ 变换器 → 电池(低压侧)
变换器工作在 BUCK(降压)模式,给电池充电
放电方向(反向) 电池(低压侧)→ 变换器 → 母线(高压侧)
变换器工作在 BOOST(升压)模式,电池向母线供电
类比:双向变换器像一条双向的电梯。白天电梯把人从楼下送到楼上(充电),晚上又把人从楼上送回楼下(放电)。同一部电梯、同一套轨道,只是运行方向不同。

5.1 为什么"双向"需要同步整流?

普通的 BUCK 或 BOOST 只能单向工作,因为续流元件(二极管)只允许电流单向通过。要让能量反向流动,续流路径必须用 MOS 管 代替二极管,并且两个方向都能导通。这就是同步整流,它要求四颗(或两组)MOS 管协同工作。

5.2 典型应用

六、动手算一算:双向变换器的充放电

以一个典型场景为例:16 V 直流母线 ↔ 3 节串联锂电池(9.0 V ~ 12.6 V)。选择方向、电池电压和功率,看模式、占空比和电流。

充电(母线 → 电池,BUCK):D = Vbat / Vbus,Ibat = P / Vbat 放电(电池 → 母线,BOOST):D = 1 − Vbat / Vbus,Ibat = P / Vbat 充电时 Vbus 高于 Vbat 用 BUCK;放电时 Vbat 低于 Vbus 用 BOOST。如果两侧接近,就进入升降压模式
当前模式-
有效占空比 D-
电池侧电流 Ibat-

6.1 一个算例

母线 16 V,电池 12.6 V(满电),充电功率 60 W:

同一个电池,放电时母线需要 16 V,电池只有 9.0 V(放空):

一个容易忽略的事实:电池电压低时,同样的功率需要更大的电流。电池放空时,放电电流反而最大,这对电感、MOS 管和电池保护都是严峻的考验。设计时要按最低电池电压算最坏情况。

七、同步整流、死区与安全

7.1 死区时间(Dead Time)

同一个桥臂上的上管和下管,绝对不能同时导通,否则电源会直接短路(即"直通")。所以开关切换时,要留一段死区时间,两颗管子都关断一小会儿,再让另一颗导通。

正确:上管关 → 死区(两管都关) → 下管开 错误:上管未关完,下管已开 → 直通短路,MOS 管瞬间烧毁
死区也有代价:死区太长,电流会通过体二极管续流,损耗增加;太短,又有直通风险。所以死区时间要由驱动芯片或控制器精确设定。

7.2 双向电流与保护

安全提醒:锂电池的充放电保护关系到人身安全。学习阶段请只在低压、有限流的实验台上做实验,不要用大容量电池直接试验,也不要在无保护的情况下充放电。涉及电池系统的设计,应按规范由专业人员完成。

7.3 模式切换与环路稳定

双向变换器的控制器必须能判断"此刻应该充电还是放电",并在方向切换时平稳过渡。方向切换瞬间如果处理不好,会出现电流倒灌、输出电压跳动。这属于控制理论的内容,我们在后续的模拟电路与控制课中再深入。

八、控制与选型

8.1 控制方式

8.2 选型要点

关注点说明
输入电压范围要覆盖最低和最高输入,并考虑瞬态,如汽车的抛负载、启动跌落。
输出能力最大电流与功率,尤其是升压模式下的输入电流。
模式切换特性在 Vin ≈ Vout 时输出是否平稳,纹波是否明显变化。
效率曲线看常用负载下的效率,轻载效率同样重要。
双向能力是否支持反向电流、是否有电流检测和模式切换的接口。
保护功能过流、过压、过温、短路保护的完整性。

九、常见应用一览

🔋
单节锂电池供电输入 3.0 ~ 4.2 V,输出 3.3 V 或 5 V,常用升降压
🚗
汽车电子输入在 6 ~ 16 V 间波动,输出稳定 5 V 或 12 V
⚡
UPS 与储能双向变换器连接母线与电池,市电断电时自动放电
🛴
电动工具与电动车电池充放电管理、能量回收
🔧
运放负电源反相升降压产生 −5 V 或 −12 V
📡
射频与模拟前端LDO 或低噪声 BUCK 接在开关电源后面,保证干净电压

十、小测验:升降压与双向变换器

十一、本节小结

下一课:第8课 · 单片机最小系统(晶振、复位、电源去耦)——把前面学的所有电源和信号知识,落到一块真正能跑程序的板子上。

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