Buck变换器和Boost变换器原理分析
发布日期:2022-12-08
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在开关稳压电源中，直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态。目前开关电源的工作频率在几百kHz，有些甚至已经到了MHz量级。如下图所示是DC-DC开关变换器的原理框图：
DC-DC开关变换器的原理框图
开关电源的实现方式有很多种，如最传统的脉宽调制（PWM）技术，目前常用的为提高变换效率的零电压（ZV）、零电流（ZC）技术、相移脉宽调制零电压谐振变换等。每种技术之下，又有很多种拓扑结构，开关电源设计需要丰富的模拟电路知识，涉及到功率器件选取、电源滤波、驱动电路、控制环路、高频磁芯变压器、EMC等多个方面。
脉宽调制
是开关电源设计中最成熟的技术。脉宽调制是一种功率控制方式，不同占空比的脉冲具有不同的直流分量，所以负载变化时，根据调整输出脉冲的占空比达到稳定输出电压的目的。脉宽调制易于实现，因为驱动脉冲具有固定的频率，与负载特性无关，因此应用最为广泛。
buck电路和boost电路同属脉宽调制型开关电路，是组成DC/DC变换器的两个基本电路。buck电路开关管串联在主电路中，为降压式DC/DC变换器。boost电路的开关管并联在主电路中，为升压式DC/DC变换器。
Buck变换器
Buck变换器由电压源、串联开关和电流负载组成，也称它为串联开关变换器。如下图所示是它的基本拓扑形式：
Buck变换器
下图所示是晶体管开关变换器（buck）电路，其中晶体管Q为开关器件，L为滤波电感，C为滤波电容，D为续流二极管。
晶体管开关变换器（buck）电路ton为晶体管的导通时间，在此时间段，L内的电流逐渐增加，当导通结束后，进入晶体管截止时间段toff，这时候由于L内的电流到达最大值ILmax，电感中的电流不能突变，所以，L中继续有电流流过，二极管D作为晶体管截止期间的续流元件。当截止时间结束后，电感中的电流到达最小值ILmin，重新开始新的周期。
Boost变换器
Boost变换器是从buck变换器进行对偶变换后得到的，其原理如下图所示：
Boost变换器
Boost变换器称为并联开关变换器。与buck变换器不同的是，boost型电感在输入端（开关），buck型电感在输出端。
Boost型变换器的输出电压Vo总是大于输入电压Vi。当开关管导通时，二极管D关闭，电感L与开关管的节点电压为0。当开关管关闭时，电感L两端的电势翻转，所以电感L与开关管的节点电压大于输入电压Vi，电感电流通过二极管D续流，使得Vo大于Vi。由Vo=Vi*[T/(T-Ton)]可以证明，T是开关脉冲周期，Ton是导通时间。
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