【導(dǎo)讀】四管同步BuckBoost升降壓變換器為單電感結(jié)構(gòu)，不需要耦合電容，盡管系統(tǒng)需要四個(gè)開關(guān)管，控制相比較復(fù)雜，但由于采用同步的變換器，系統(tǒng)的效率比SEPIC高，而且體積比SEPIC小，非常適用于汽車及通訊這類系統(tǒng)的效率和體積要求嚴(yán)格的應(yīng)用。下面本文將討論這種四管同步BuckBoost升降壓變換器的具體的工作原理及設(shè)計(jì)過程的相關(guān)問題。
電子系統(tǒng)的一些應(yīng)用中由于輸入電壓的變化，電源的輸出可能低于輸入電壓也可能高于輸入電壓，對(duì)于非隔離的電源變換器，這時(shí)候要采用升降壓的拓樸結(jié)構(gòu)。常用的升降壓拓樸結(jié)構(gòu)SEPIC需要二個(gè)電壓，中間還需要耦合電容，因此當(dāng)輸出功率較大時(shí)，電感和電容的體積大，成本高，而且整機(jī)系統(tǒng)效率差。
1、四管同步BuckBoost升降壓變換器工作原理
四管同步BuckBoost升降壓變換器的拓樸結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Cin和Cout分別為輸入和輸出直流濾波電容，A和B為輸入側(cè)功率開關(guān)管，C和D為輸出側(cè)功率開關(guān)管，可以看出：四個(gè)開關(guān)管結(jié)構(gòu)類似于全橋的結(jié)構(gòu)：A和B及C和D分別類似于全橋電路的二個(gè)橋臂，L為功率電感。
圖1：四管同步BuckBoost升降壓變換器拓樸結(jié)構(gòu)
下面分三個(gè)模式說明這種電路結(jié)構(gòu)的工作原理。
1.1、模式1：同步Buck模式，Vin>Vout+△V
當(dāng)輸入電壓比輸出電壓高△V時(shí)，開關(guān)管D保持常開，開關(guān)管C保持常關(guān)，開關(guān)管A和B工作于同步的Buck模式。其工作原理與一般的同步的Buck工作原理完全相同，控制的方法為谷點(diǎn)電流模式，如圖2所示，其中D為占空比。
D=Vo/Vin
圖2：同步Buck模式
1.2、模式2：降壓BuckBoost模式，Vout<Vin<Vout+△V
當(dāng)輸入電壓比輸出電壓低△V，即輸入電壓略高于輸出電壓時(shí)，系統(tǒng)工作于降壓式BuckBoos模式。開關(guān)周期起始時(shí)，開關(guān)管B/D先同時(shí)導(dǎo)通，然后A/C同時(shí)導(dǎo)通，最后是A/D同時(shí)導(dǎo)通，即開關(guān)管導(dǎo)通的順序?yàn)椋築/D–A/C–A/D。
開關(guān)管B/D同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為△tBD，電感去磁，則有：
式中：△IL為電感電流的紋波。
開關(guān)管A/C同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間為△tAC，電感激磁：
開關(guān)管A/D同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間為△tAD，電感繼續(xù)激磁：
考慮到磁通在每個(gè)開關(guān)周期必須復(fù)位，則有：
所以可以得到：
對(duì)于降壓BuckBoost變換器，調(diào)節(jié)△tAC小于△tBD就可以控制系統(tǒng)得到正確的輸出，△tAD值遠(yuǎn)大于△tAC和△tBD。當(dāng)輸入電壓略大于輸出電壓且輸入電壓非常接近輸出電壓時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入降壓BuckBoost工作模式，電路的控制和工作波形見圖3所示。
圖3：降壓BuckBoost工作模式
1.3、模式3：升壓BuckBoost模式，Vin<Vout<Vin+△V
輸出電壓比輸入電壓高△V，即輸入電壓略低于輸出電壓時(shí)，系統(tǒng)工作于升壓BuckBoos模式。開關(guān)周期起始時(shí)，開關(guān)管A/C先同時(shí)導(dǎo)通，然后B/D同時(shí)導(dǎo)通，最后是A/D同時(shí)導(dǎo)通，即開關(guān)管導(dǎo)通的順序?yàn)椋篈/C–B/D–A/D。
開關(guān)管A/C同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間為△tAC，電感激磁：
式中：△IL為電感電流的紋波。
開關(guān)管B/D同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間為△tBD，電感去磁：
開關(guān)管A/D同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間為△tAD，電感繼續(xù)去磁：
考慮到磁通在每個(gè)開關(guān)周期必須復(fù)位，則有：
所以可以 得到：
升壓BuckBoost模式和降壓BuckBoost模式的公式完全一樣，調(diào)節(jié)△tAC大于△tBD就可以控制系統(tǒng)得到正確的輸出。當(dāng)輸入電壓略小于輸出電壓且即輸入電壓非常接近輸出電壓時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入升壓BuckBoost工作模式，電路的控制和工作波形見圖4所示。
圖4：升壓BuckBoost工作模式
升壓和降壓BuckBoost模式控制策略稍有不同：
(1) 降壓BuckBoost模式仍然是降壓模式，所以要先深去磁，再短時(shí)間的深激磁，然后長時(shí)間的淺激磁；
(2) 升壓BuckBoost模式仍然是升壓模式，所以要先深激磁，再短時(shí)間的深去磁，然后長時(shí)間的淺去磁。
BuckBoost模式下輸入電壓和輸出電壓非常接近，輸入和輸出基本上長時(shí)間保持直通，開關(guān)狀態(tài)工作的時(shí)間很短,控制器通過內(nèi)部的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)工作于升壓或降壓BuckBoost模式。
1.4、模式4：同步Boost模式，Vout>Vin+△V
當(dāng)輸入電壓比輸出電壓低△V時(shí)，開關(guān)管A保持常開，開關(guān)管B保持常關(guān)，開關(guān)管C和D工作于同步Boost模式。其工作原理與一般的同步Boost工作原理完全相同，控制的方法為峰值電流模式，如圖5所示。
Vo/Vin=1/(1-D)
圖5：同步Boost模式
2、 四管同步BuckBoost升降壓變換器電感的設(shè)計(jì)
四管同步BuckBoost升降壓變換器采用單電感的結(jié)構(gòu)，這種拓樸結(jié)構(gòu)根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的不同，工作于降壓Buck或升壓Boost模式，電感的設(shè)計(jì)要考慮并兼顧到這二種拓樸結(jié)構(gòu)的特性。
輸出滿載時(shí)，對(duì)于降壓Buck變換器，當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，電感的紋波最大：
式中：△IL為電感電流的紋波，fs為開關(guān)頻率。
輸出滿載時(shí)，對(duì)于升壓Boost變換器，當(dāng)輸入電壓最小時(shí)，電感的紋波最大：
因此最大的電感電流紋波由輸入最小電壓和最大電壓共同來決定，這樣在整個(gè)電壓范圍內(nèi)，電感電流紋波的變化值很大，在選取電感電流紋波系數(shù)時(shí)，必須作一些折衷的處理。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般可以根據(jù)下面的原則來選取：升壓Boost模式下，輸入電壓最小時(shí)，電感的電流紋波系數(shù)最大值取20%~30%；降壓Buck模式下，輸入電壓最大時(shí)，電感的電流紋波系數(shù)最大值取100%~150%。
電感的電流紋波系數(shù)為：
式中：Ipk-pk為電感電流的峰峰值，IL(ave)為電感電流的平均值。
由輸入電壓范圍，輸出電壓和電流，選取工作頻率，就可以計(jì)算出電感值。
3、四管同步BuckBoost升降壓變換器PCB的設(shè)計(jì)
降壓Buck變換器的電感位于輸出回路，所以輸出回路的電流是連續(xù)的，輸入回路的電流是不連續(xù)的，輸入回路的干擾大，這些環(huán)路產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)發(fā)射，因此輸入回路要盡可能的小。輸入回路的地為功率地，要與系統(tǒng)的信號(hào)地分開單獨(dú)布線，輸出地可以作為干凈的信號(hào)地。
圖6：PCB布局
升壓Boost變換器的電感位于輸入回路，所以輸入回路的電流是連續(xù)的，輸出回路的電流是不連續(xù)的，輸出回路的干擾大，這些環(huán)路產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)發(fā)射，因此輸出回路要盡可能的小，輸出回路的地為功率地，要與系統(tǒng)的信號(hào)地分開單獨(dú)布線，輸入地可以作為干凈的信號(hào)地。
兩者的兼顧對(duì)PCB設(shè)計(jì)要非常的小心，開關(guān)回路中du/dt比較大的節(jié)點(diǎn)SW1和SW2及其回路，要盡可能的小，因?yàn)檫@些環(huán)路產(chǎn)生很大的電場(chǎng)發(fā)射。
電流檢測(cè)回路，電流檢測(cè)電阻要用KEVIN連接，直接從電流檢測(cè)電阻兩端布線，線徑要細(xì)，并且平行平線。
4、功率MOSFET選擇
功率MOSFET的功耗主要為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，如果功率MOSFET工作于同步整流狀態(tài)，主要的功耗為導(dǎo)通損耗、二極管死區(qū)時(shí)間及反向恢復(fù)損耗,這些內(nèi)容可以參考以前的文章。
參考文獻(xiàn)
(1) A.I. Pressman. Switching Power Supply Design (second edition). New York: McGraw-HillPublishing Co., 1998.
(2) LTC3780數(shù)據(jù)表
來源：松哥電源，作者：劉松
