四開(kāi)關(guān)Buck-Boost變換器的討論

在非隔離電源方案中，Buck、Boost、Buck-Boost電路應(yīng)用非常廣，很多工程師對(duì)這三種電路非常熟。下面我們一起聊聊四開(kāi)關(guān)Buck-Boost電路。

常規(guī)的Buck-Boost電路，Vo=-Vin*D/(1-D)，輸出電壓的極性和輸入電壓相反。

簡(jiǎn)要的四開(kāi)關(guān)Buck-Boost電路，Vo=Vin*D/(1-D)，輸出電壓的極性與輸入電壓相同。

四開(kāi)關(guān)buck-boost的拓?fù)浜芎?jiǎn)單，如下圖。

對(duì)于四開(kāi)關(guān)buck-boost，它本身有一種非常傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的控制方式。

那就是Q1和Q3同時(shí)工作，Q2和Q4同時(shí)工作。并且兩組MOS交替導(dǎo)通，如上圖。

如果把Q2和Q4換成二極管，那么也是同樣能工作，只不過(guò)沒(méi)有同步整流而已。

對(duì)于這種控制方式，在CCM情況下我們可以得到公式：

Vin*D=Vout（1-D）也就是說(shuō)，Vout=Vin*D/(1-D). 這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換比和我們常見(jiàn)的buck-boost是一樣的。

只不過(guò)常見(jiàn)的buck-boost的輸出電壓是負(fù)壓，而四開(kāi)關(guān)輸出的是正壓。

但是這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，沒(méi)有模態(tài)切換。但是缺點(diǎn)是，四個(gè)管子都在一直工作，損耗大，共模噪音也大。

基于傳統(tǒng)控制方式的缺點(diǎn)。多年前，一家知名的IC公司推出了一款控制IC，革新了這個(gè)拓?fù)涞目刂品绞健?/p>

其思路就是當(dāng)Vin〉Vout的時(shí)候，把這個(gè)拓?fù)洚?dāng)純粹的BUCK來(lái)用，當(dāng)Vin

但是，這種思路本身沒(méi)什么奇特之處。真正有技術(shù)含量的是，當(dāng)VIn=Vout的時(shí)候，采用怎么樣的控制方式？

從buck過(guò)渡到中間模態(tài)，再過(guò)渡到boost的時(shí)候，如何做到無(wú)縫切換？這幾個(gè)問(wèn)題，后來(lái)成為各家IC公司，大開(kāi)腦洞，爭(zhēng)奪知識(shí)產(chǎn)權(quán)的戰(zhàn)場(chǎng)。

接下來(lái)，我來(lái)介紹某特公司的IC的控制邏輯。

先假設(shè)輸出為固定的12V，輸入假設(shè)為一個(gè)電池，充滿電電壓為16V，放電結(jié)束電壓為8V。

那么從輸入16V開(kāi)始，此時(shí)的工作狀態(tài)顯然是BUCK

那么四個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下圖

那么當(dāng)輸入電池電壓逐漸開(kāi)始降低，M1的占空比也逐漸開(kāi)始增大，而M2的占空比開(kāi)始減小。

此時(shí)M2的占空比是個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。

因?yàn)镮C內(nèi)部對(duì)M2的脈寬有個(gè)最小設(shè)定，假如說(shuō)是200ns。

那么現(xiàn)在假設(shè)輸入電壓掉到12.5V，而M2的脈寬也收縮到了200ns。IC內(nèi)部的邏輯電路就認(rèn)為到了模態(tài)切換的時(shí)候了。

此時(shí)發(fā)生的變化是，M3和M4兩個(gè)管子不再是常關(guān)和常通的狀態(tài)，而是開(kāi)始開(kāi)關(guān)了。

如果我們把上圖進(jìn)行分解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是在一個(gè)clock周期里面，前半周期是buck，后半周期是boost

這個(gè)時(shí)候boost切進(jìn)去的時(shí)候，M3是以最小占空比切入的，而且該占空比不可調(diào)。

此時(shí)M2的占空比則會(huì)從最小突然展寬以抵消boost模特切入的影響。在這個(gè)時(shí)候，輸出會(huì)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

那么當(dāng)輸入繼續(xù)下降的時(shí)候，M2的占空比會(huì)繼續(xù)減小。

那么當(dāng)M2再度回到最小占空比的時(shí)候，IC內(nèi)部邏輯電路會(huì)認(rèn)為模態(tài)需要再次轉(zhuǎn)換了。

此時(shí)，M2將固定在最小占空比，而M3則開(kāi)始跳出最小占空比，可以逐漸展寬。理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)渡應(yīng)該是完全無(wú)縫的切換，

但是由于芯片內(nèi)部的clock時(shí)序的切換，也會(huì)對(duì)輸出造成一種動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

這個(gè)時(shí)候，變成了前半周期是boost，后半周期是buck。

同樣，當(dāng)輸入電壓繼續(xù)降低的時(shí)候，電路會(huì)切入完全的boost模態(tài)。

當(dāng)然另外一家IC巨頭，某某儀器公司也有類似的IC，他們最大的區(qū)別，就是在buck-boost這個(gè)模態(tài)。

某某儀器的IC，在buck-boost模態(tài)，是一個(gè)周期是buck，下一個(gè)周期是boost，如此輪回。而某某爾特公司的IC卻是在一個(gè)周期內(nèi)，前半周期是buck，后半周期是boost。

總的來(lái)說(shuō)，兩家異曲同工。