BUCK & BOOST 基本原理介绍

本篇文章给简单介绍下 BUCK & BOOST 电路的基本原理,通过这篇文章可以让大家初步理解为什么这些电路能降压和升压。

一、BUCK 电路

BUCK 电路的作用是输出一个比输入电压 Vin 低的电压 Vout ,即 Vin>Vout,是一个降压电路。

(1)BUCK 基本电路

首先看一下 BUCK 的基本电路,可以看到由最基本的元件组成:MOS 管,电感,电容,二极管和电阻;

这些元件这里简单介绍一下电路中元件的主要作用:

MOS 管:开关作用,闭合与断开能控制电流流通

二极管:单向导通

电感:阻碍电流变化,储存能量

电容:储存能量,防止电压突变

电阻:消耗能量,实际是负载

MOS 管的 G 极输入一定频率的 PWM 方波,高电平打开 MOS ,即开关闭合,反之亦然。

(2)工作过程分析

接下来对工作过程进行分析(以下过程基于输入输出稳定情况下分析):

MOS 管导通:

电感充电,电容充电, 电感消耗了 Vin 一部分能量,所以 Vin - 电感 = Vout ,从而实现降压;

MOS 管断开:

电感电流慢慢减少,电感极性反转,电感和电容之间的能量被传递到负载上,维持 Vout电压

(3)公式解析

BUCK 电路的有个基本公式:Vout = Vin * Duty,(这里忽略二极管压降)注:Duty 是 MOS 管的 PWM 占空比,即一个 PWM 周期内高电平所占时间。

这个公式表达的意思是Vout 随着 MOS 管开通时间变长而变大,这篇文章不介绍公式理论推导,我们从电感特性来理解这个公式:

  • 为什么需要使用 PWM 来控制 MOS 开关

刚接触 BUCK 基本电路,就会产生疑问,MOS 管那里为什么会有 PWM ?我们知道,电感是阻碍电流变化的,但是并不会阻止电流,在电流流向不变的情况下,经过一段时间之后电感在电路中就相当于一根导线,

如下图:

这个时候 Vin = Vout,BUCK 电路的作用是为了降压,由此可以看出,如果不去控制这个 MOS 闭合的时间,那么就不能实现降压,所以 MOS 管闭合一定时间后就要断开;但是断开之后只有电感和电容续流,总有耗尽的时刻,所以也不能一直断开,断开一定时间又需要闭合,周而复始,所以就有了 PWM 控制 MOS 管的开关

  • 为什么 MOS 管闭合时间影响了 Vout

我们知道,电感在一开始的时候阻碍电流的力度是最强的,随时间加长阻碍电流的能力就越来越弱,最后消失(前提是电流流向不变),如果我们把电感当作一个可变电阻,开始电阻阻值很大,后面阻值变小,根据欧姆定律,串联电路中电流相等,阻值越大,分到的电压就越多;对应到电感的话,电感一开始分到的电压多,负载端分到的电压就越少,随着时间变长,那么可变电阻阻值降低,说明电感的电压变压变小了,负载电压就变大了;从这可以看出,MOS 管闭合时间越短,那么 Vout 就越小;MOS 管闭合时间越长,Vout 就越大,越接近 Vin;这就是 BUCK 电路为什么能降压的原因。

二、BOOST 电路

BOOST 电路的作用是输出一个比输入电压 Vin 高的电压 Vout ,即 Vin<Vout,是一个升压电路。

(1)BOOST 基本电路

可以看到 BOOST 同样也是由最基本的元件组成:MOS 管,电感,电容,二极管和电阻,值得注意的是,它与 BUCK 电路的区别在于元件位置的不同

(2)工作过程分析

同样,下面我们先来分析其工作过程。

开关导通时:

电感充电,电容维持负载端供电

开关断开时:

此时电感已经是一个电源了,与 Vin 串联,Vin + 电感电源向负载供电,同时给电容充电,Vin + 电感 = Vout ,实现升压

(3)升压原理

我们可以对比一下,BUCK 电路也是对电感进行了充电,为什么 BUCK 是降压,BOOST 是升压呢?

BUCK 对电感充电之后, MOS 管断开,这个时候 Vin 与 电感是断开的,

但是对于 BOOST 电路来说,MOS 管断开之后,Vin 和电感是连在一起的,相当于两个电源串联在一起,所以电压就升高了:

(4)公式解析

BOOST 也有一个基本公式: Vout = Vin/(1-Duty) ,(忽略二极管压降)Duty 越大,分母越小,Vin 不变,Vout 就越大;

这里也从电感特性分析,为什么这里也需要 PWM ?假设 MOS 管一直闭合,那么电感就会变成一条导线,然后就变成了 VCC 接 GND ,这点路就毁灭了,所以MOS 管闭合的时间需要控制;

电感除了阻碍电流变化外,也是一个储能元件,电流流经时间越长,储存的能量越多,所以在电感变为导线之前,MOS 闭合时间越长,电感能量就越多,MOS 管断开后,Vout 电压自然就升的更高:

以上通过对 BUCK 、 BOOST 电路工作过程分析,简单介绍了其降压升压的原理,希望对大家有所帮助

参考资料:《Basic Calculations of a 4 Switch Buck-Boost Power Stage》

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