高效非反向 buck-boost 转换器设计 - 杨月昌的硬件开发技术博客

1. 引言#

Buck-boost 转换器广泛应用于工业个人电脑（IPC）、销售点（POS）系统和汽车启停系统中。这些应用中，输入电压可能高于或低于所需的输出电压。传统的反向 buck-boost 转换器输出电压相对于地有负极性，而非反向 buck-boost 转换器（如 SEPIC、Zeta 和双开关 buck-boost 转换器）输出电压则为正。

本篇笔记探讨了几种常见的非反向 buck-boost 转换器的工作原理、电流应力与功率损耗分析，并给出了高效设计的建议。

2. 反向 Buck-Boost 转换器#

反向 buck-boost 转换器采用一个功率 MOSFET、二极管和电感组成的电力阶段。当 MOSFET 开启时，电感两端的电压为输入电压（VIN），电流上升，能量积累在电感中。MOSFET 关闭时，电感中的能量通过二极管传递到输出负载和输出电容。该转换器的电压转换比由以下公式表示：

V_{OUT} = -V_{IN} \times \frac{1}{1 - D}

其中，D 为开关的占空比，范围从 0 到 1，输出电压相对于输入电压总是有反向极性。

3. 常见非反向 Buck-Boost 转换器#

为了满足需要正输出电压的应用，通常使用 SEPIC、Zeta 和双开关 buck-boost 转换器。这些转换器相较于反向 buck-boost 转换器，虽然提供了正输出电压，但由于增加了额外的功率组件，效率较低。

SEPIC 转换器：包含两个电感和一个耦合电容，其电压转换比为：

V_{OUT} = V_{IN} \times \frac{1}{1 - D}

SEPIC 转换器的电感和二极管要求与反向 buck-boost 转换器类似，但增加的电感和耦合电容增加了功率损耗和系统的复杂度。

Zeta 转换器：类似于 SEPIC，但需要一个高侧驱动器，增加了电路复杂性。
双开关 Buck-Boost 转换器：采用一个电感，并且增加了一个额外的 MOSFET 和二极管。通过同时开启两个开关，可以实现 buck-boost 模式，其电压转换比与 SEPIC 转换器相同。由于存在较大的电流应力，这种模式的效率相对较低。

4. 双开关 Buck-Boost 转换器的优化#

双开关 buck-boost 转换器可在 buck 模式、boost 模式和 buck-boost 模式之间切换：

Buck 模式：当输入电压高于输出电压时，转换器工作在 buck 模式，此时效率较高。该模式下，Q2 始终关闭，功率损耗较低。
Boost 模式：当输入电压低于输出电压时，转换器工作在 boost 模式，该模式效率较高，且功率损耗较低。
Buck-Boost 模式：在 buck-boost 模式下，效率较低，电流应力较大。

5. 高效设计的实现#

通过适当的控制电路，双开关 buck-boost 转换器可以在不同模式之间过渡，从而在不同输入电压范围内实现高效的步升或步降转换。使用例如 Texas Instruments 的 LM5118 双模控制器，可以实现该转换器的多模式操作，如在输入电压较高时工作于 buck 模式，在输入电压较低时过渡至 buck-boost 模式。

控制复杂度与效率：控制复杂度较低的 buck-boost 模式效率较低，而 buck 和 boost 模式组合则能提供更高的效率，尽管其控制较为复杂。
实现效率：通过选择合适的操作模式（如只使用 buck 和 buck-boost 模式组合），可以在控制复杂度和效率之间找到合适的平衡。

6. 结论#

SEPIC、Zeta 和双开关 buck-boost 转换器都是常见的非反向转换器拓扑结构，它们提供了步升/降功能和正输出电压。在 buck-boost 模式下，这些转换器面临较大的电流应力和功率损耗，但通过在适当的模式下操作（如 buck 模式和 boost 模式），可以有效地提高转换器效率。