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        大話硬件
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        為什么Buck-Boost芯片沒有輸出負壓?

        今天分享一篇和Buck-Boost拓撲相關的問題,也是在最開始接觸Buck-Boost芯片時,就在內心產生了疑問。在開始學習DC-DC拓撲時,很多資料都說,非隔離型的DC-DC拓撲常見的有3種,分別是Buck,Boost,Buck-Boost,且Buck-Boost輸出是負壓。的確,在工作中,這三種非隔離DC-DC在單板設計上面確實使用比較多,特別是降壓的DC-DC。一個單板上可能有上十個都不止,而Boost和Buck-Boost相對還好,用量沒有降壓大。

        下面是MPS官網的開關變換器和控制器的分類,從類型上也可以看出,Buck轉換器最多,Boost次之,但均明顯比Buck-Boost多。

        不知道大家在項目上使用Buck-Boost芯片時,有沒有這樣的疑問:選用的明明是升降壓變換器,也在單板上正常使用了,但是輸出并不是負壓!應該很多人都有過這樣的設計:輸入電壓是2.5~5V,輸出3.3V,DC-DC芯片選用的就是Buck-Boost芯片,輸出也的確是正的3.3V,并不是基礎拓撲說的負壓!上述的問題和現象,到底是什么原因導致的呢?這種疑問,在我第一次用Buck-Boost芯片就產生了,但是并未做進一步的學習。這可能就是所謂的“學而不思則罔”吧,能用就行,原理嘛,并為深究。但不可行。首先,我們來看下標準的Buck-Boost變換器的拓撲。

        當Q1開關管導通時,輸入電壓對電感進行充電,此時二極管D1截止;當Q1開關管閉合時,電感阻止電流的降低,感應出的電流對負載充電,此時二極管D1導通,則負載下端電壓高,上端電壓低,如果將下端作為GND,輸出即為負壓。按照Buck-Boost的工作原理,輸出確實應該就是負壓,但實際上各大廠商提供的Buck-Boost芯片很少是輸出負壓的。比如MPS的MP28160芯片,從芯片外部來看,就一個電感。從芯片的描述來看,明明就是Buck-Boost芯片,但是輸出卻是正電壓。

        要解決上面的疑問,還要深入到芯片內部來看。下面是MP28160的內部框圖,竟然有四個MOS管。這和最開始介紹的Buck-Boost拓撲并不一樣!沒有二極管,而且多了三個MOS管。

        現在,我們來推導一下,從負壓的Buck-Boost怎么得到正壓的四管的Buck-Boost。第一步:目標是輸入2.5V~5V,輸出3.3V,可以先升壓再降壓;

        如上圖所示,將兩個拓撲串聯起來,完全可以實現目標需求,而且是正壓輸出。但是這里有兩個電感,而且需要兩個控制器,一個降壓,一個升壓,同時這里還有兩個二極管,損耗比較高,效率低,且成本高。第二步:為了解決上述問題,將二極管換成MOS管

        只要合理控制上述4個MOS管的開通和關斷時序,完全可以實現升壓,降壓功能,且輸出正壓。但是這里還是有個問題沒解決——存在兩個電感!第三步:為了解決兩個電感的問題,改用降壓和升壓串聯

        這種方案相比升壓和降壓串聯,只有一個電感,輸出正壓,更接近目標的需求。但是因為存在兩個二極管,還是會存在效率低,無法用在大功率的場合。因此,還需要進一步優化。第四步:將二極管更換為MOS管

        經過上述4步的變換,既可以實現了目標需求,同時還和剛剛看到的MP28160芯片內部的拓撲框圖一致,這說明,使用降壓和升壓拓撲串聯,其實是可以實現升降壓的。所以,大家在單板上使用的Buck-Boost芯片,更為準確的說應該是管單電感升降壓變換器。與最初大家所熟知的,帶有二極管的負極性的Buck-Boost拓撲并不是描述的同一個電路拓撲。對于上述4個MOS管的拓撲,是如何實現所需要的電壓?在MP28160數據手冊上找到相關的描述,MOS管的開通的關斷會自動根據輸入和輸出電壓的關系,進行MOS時序控制。

        當輸入電壓高于輸出電壓時,工作在Buck模式。時序如下,這種模式下要求Q3一直需要導通。

        當輸出電壓高于輸入電壓時,工作在Boost模式時。時序如下,這種模式下要求Q1一直需要導通。

        當輸入電壓和輸出電壓接近時,工作在Buck-Boost模式,這種模式存在兩種方式:(1)當輸入電壓高于輸出電壓時,此時有Buck充電和Boost充電兩種方式,而只有Buck放電一種方式;Buck充電方式,MOS管工作時序

        Boost充電方式,MOS管工作時序

        Buck放電方式,MOS管工作時序

        (2)當輸出電壓高于輸入電壓時,此時只有Boost充電一種方式,而有Buck放電和Boost放電兩種方式;Boost充電方式,MOS管工作時序

        Boost放電方式,MOS管工作時序

        Buck放電方式,MOS管工作時序

        從上面的分析可以看出,四管升降壓的拓撲相比帶有二極管的負壓Buck-Boost而言,工作模式多樣,控制方式也比較復雜,在PCB布局設計時要求也更高,因為出現了更多SW節點和功率回路。

        總結一下:基礎的Buck-Boost拓撲,輸出的確是負壓。但是在實際工作應用中,需要Buck-Boost拓撲,且輸出負壓的并不多。目前被廣泛使用的,只有一個電感的升降壓電路,準確的來說,并不是我們常說的Buck-Boost基礎拓撲。只不過是四管單電感的這種拓撲恰好實現了升降壓的功能,而且還僅僅就一個電。

        因此,這種升降壓電路更為準確的說法應該是:四管單電感升降壓型Buck-Boost拓撲。四管的工作時序和模式和輸入和輸出電壓有較強的關聯系,當輸入大于輸出時,Buck多,Boost少;當輸出大于輸入時,Buck少Boost多?;氐介_頭的疑問,基礎的、三種非隔離的DC -DC拓撲之一的Buck-Boost,輸出是負壓。但是,目前使用較多的,輸出是正壓的,應該是四管單電感升降壓型拓撲,很明顯它屬于Buck-Boost,但作為硬件開發人員,需要做好區分,而不能混為一體。

        聲明:本內容為作者獨立觀點,不代表電子星球立場。未經允許不得轉載。授權事宜與稿件投訴,請聯系:editor@netbroad.com
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