电子丨DC-DC中的升压、降压、升降压电路解析

在DC-DC电路中，升压（Boost）、降压（Buck）、升降压（Buck-Boost）是三种基本拓扑，通过开关管（如MOSFET）、电感、二极管和电容的配合实现电压转换。以下是它们的电路结构和工作原理详解：

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1. 降压电路（Buck Converter）

功能

• 将输入电压（\(V_{in}\)）降至更低的输出电压（\(V_{out}\)），且 \(V_{out} < V_{in}\)。

关键元件特性

• 开关管（S）：导通或关断电流，常见的开关管有三极管、MOSFET、IGBT

• 电感（L）：将电能转换成磁能储存起来，也能将磁能转换成电能释放出来。

  • 电感在进行电能和储能的转换时，电感的正负极会发生反向
  • 流过电感的电流不能突变，只能逐渐变大或变小

• 电容（C）：具备存放电功能，电容两端电压高于外部电路电压是放电，反之充电

  • 电容充放电不会发生正负极反向
  • 电容电压不会突变

• 二极管（D）：单向导电性

工作原理

（1）S导通阶段（S ON）

• 当S闭合时，电流流过L、C、负载，电感L将电能转换成磁能储存起来，此时电感是左正右负，电容C充电，负载电压逐渐变大 0v-3v

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（2）S关断阶段（S OFF）

• 当S断开时，电感L将磁能转换成电能释放，电感正负极反向，此时变成左负右正，相当于电源。电容C开始放电，负载电压逐渐变小

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（3）降压过程

• 假设输入5v，需要3v的输出电压，通过开关管S导通，使负载电压逐渐增大到3v，当输出电压大于3v时，立即断开S，由电感供电，所以负载电压会逐渐变小。通过控制开关管S的开关频率，从而控制电感的储能和释能，使输出电压基本趋向于3v。
• 电容作用： 电感发生极性反向时，那一瞬间无法给负载供电，需要电容供电，即起到滤波的作用。

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（4）输出电压公式

\[V_{out} = D \cdot V_{in} \]

其中 \(D\) 为开关管导通占空比（\(0 < D < 1\)）。

特点：

• 效率高（通常>90%），但输入电压必须高于输出电压。
• 典型应用：12V转5V、5V转3.3V等。

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2. 升压电路（Boost Converter）

功能

• 将输入电压（\(V_{in}\)）升至更高的输出电压（\(V_{out}\)），且 \(V_{out} > V_{in}\)。

关键元件特性

• 与降压电路相同

工作原理

• 以5v升压到12v为例

（1）S闭合时，当闭合时间T约为2.2us时，电感上的电流约为 2.4A，电流通过开关流回负极。

\[I=U/L*T=5V/4.7uH*2.2us≈2.4A \]

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（2）S断开时，由于电感电流不能突变，电流以 2.4A 流过负载，负载5Ω，此时负载电压为12v。

\[Ua=5Ω*2.4A=12V \]

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（3）为了使输出电压更加平滑，会加入一个电容和二极管

1. S闭合时，电流流过电感和开关，电感储能，此时电感左正右负，Ub=0V，因为二极管单向导电性，此时电源电流无法流过负载，而电容放电给负载供电。

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2. S断开时，由于电感电流不能突变，电感极性反向，此时电感左负右正，电感释能，给电容充电，同时给负载供电

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（4）输出电压公式：

\[V_{out} = \frac{V_{in}}{1 - D} \]

（占空比 \(D\) 越接近1，输出电压越高）

特点：

• 输入电流连续，但输出纹波较大。
• 典型应用：锂电池（3.7V）升压至5V或12V。

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3. 升降压电路（Buck-Boost Converter）

功能：输出电压可高于或低于输入电压（极性相反）。

电路结构

（图示：电感与开关管、二极管串联，输出极性反转）

工作原理

1. 开关导通阶段（S ON）：

   • 开关管闭合，电感储能（电流增大），二极管截止，负载由电容供电。

2. 开关关断阶段（S OFF）：

   • 开关管断开，电感释放能量，通过二极管为负载和电容供电，输出电压极性与输入相反。

输出电压公式：

\[V_{out} = -\frac{D}{1 - D} \cdot V_{in} \]

（通过调节 \(D\) 实现升压或降压）

改进版本（非反相）：

• SEPIC 和 Ćuk 拓扑可实现非反相升降压，但需要更多元件。

特点：

• 输出极性反转，效率低于Buck/Boost。
• 典型应用：电池供电设备中宽输入电压范围（如3V-12V转5V）。

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4. 关键对比总结

拓扑类型	输入-输出关系	极性	核心特点
Buck	\(V_{out} < V_{in}\)	同相	高效率，简单，需输入>输出
Boost	\(V_{out} > V_{in}\)	同相	可升压，输出纹波较大
Buck-Boost	\(V_{out} \gtrless V_{in}\)	反相	灵活但效率较低

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5. 实现要点

• 开关频率：高频（几百kHz至MHz）可减小电感/电容体积，但增加开关损耗。
• 同步整流：用MOSFET替代二极管（如同步Buck），提高效率。
• 控制模式：PWM（固定频率）、PFM（轻载时降频）等。

理解这些拓扑的机理，能帮助在电源设计中合理选择方案，平衡效率、成本和体积需求。