BUCK & BOOST 基本原理介绍_buckboost电路原理

本篇文章给简单介绍下 BUCK & BOOST 电路的基本原理，通过这篇文章可以让大家初步理解为什么这些电路能降压和升压。

一、BUCK 电路

BUCK 电路的作用是输出一个比输入电压 Vin 低的电压 Vout ，即 Vin>Vout，是一个降压电路。

（1）BUCK 基本电路

首先看一下 BUCK 的基本电路，可以看到由最基本的元件组成：MOS 管，电感，电容，二极管和电阻；

这些元件这里简单介绍一下电路中元件的主要作用：

MOS 管：开关作用，闭合与断开能控制电流流通

二极管：单向导通

电感：阻碍电流变化，储存能量

电容：储存能量，防止电压突变

电阻：消耗能量，实际是负载

MOS 管的 G 极输入一定频率的 PWM 方波，高电平打开 MOS ，即开关闭合，反之亦然。

（2）工作过程分析

接下来对工作过程进行分析（以下过程基于输入输出稳定情况下分析）:

MOS 管导通：

电感充电，电容充电, 电感消耗了 Vin 一部分能量，所以 Vin - 电感 = Vout ，从而实现降压；

MOS 管断开：

电感电流慢慢减少，电感极性反转，电感和电容之间的能量被传递到负载上，维持 Vout电压

（3）公式解析

BUCK 电路的有个基本公式：Vout = Vin * Duty，（这里忽略二极管压降）注：Duty 是 MOS 管的 PWM 占空比，即一个 PWM 周期内高电平所占时间。

这个公式表达的意思是Vout 随着 MOS 管开通时间变长而变大，这篇文章不介绍公式理论推导，我们从电感特性来理解这个公式：

• 为什么需要使用 PWM 来控制 MOS 开关

刚接触 BUCK 基本电路，就会产生疑问，MOS 管那里为什么会有 PWM ？我们知道，电感是阻碍电流变化的，但是并不会阻止电流，在电流流向不变的情况下，经过一段时间之后电感在电路中就相当于一根导线，

如下图：

这个时候 Vin = Vout，BUCK 电路的作用是为了降压，由此可以看出，如果不去控制这个 MOS 闭合的时间，那么就不能实现降压，所以 MOS 管闭合一定时间后就要断开；但是断开之后只有电感和电容续流，总有耗尽的时刻，所以也不能一直断开，断开一定时间又需要闭合，周而复始，所以就有了 PWM 控制 MOS 管的开关

• 为什么 MOS 管闭合时间影响了 Vout

我们知道，电感在一开始的时候阻碍电流的力度是最强的，随时间加长阻碍电流的能力就越来越弱，最后消失（前提是电流流向不变），如果我们把电感当作一个可变电阻，开始电阻阻值很大，后面阻值变小，根据欧姆定律，串联电路中电流相等，阻值越大，分到的电压就越多；对应到电感的话，电感一开始分到的电压多，负载端分到的电压就越少，随着时间变长，那么可变电阻阻值降低，说明电感的电压变压变小了，负载电压就变大了；从这可以看出，MOS 管闭合时间越短，那么 Vout 就越小；MOS 管闭合时间越长，Vout 就越大，越接近 Vin；这就是 BUCK 电路为什么能降压的原因。

二、BOOST 电路

BOOST 电路的作用是输出一个比输入电压 Vin 高的电压 Vout ，即 Vin<Vout，是一个升压电路。

（1）BOOST 基本电路

可以看到 BOOST 同样也是由最基本的元件组成：MOS 管，电感，电容，二极管和电阻，值得注意的是，它与 BUCK 电路的区别在于元件位置的不同

（2）工作过程分析

同样，下面我们先来分析其工作过程。

开关导通时：

电感充电，电容维持负载端供电

开关断开时：

此时电感已经是一个电源了，与 Vin 串联，Vin + 电感电源向负载供电，同时给电容充电，Vin + 电感 = Vout ，实现升压

（3）升压原理

我们可以对比一下，BUCK 电路也是对电感进行了充电，为什么 BUCK 是降压，BOOST 是升压呢？

BUCK 对电感充电之后， MOS 管断开，这个时候 Vin 与 电感是断开的，

但是对于 BOOST 电路来说，MOS 管断开之后，Vin 和电感是连在一起的，相当于两个电源串联在一起，所以电压就升高了：

（4）公式解析

BOOST 也有一个基本公式： Vout = Vin/(1-Duty) ，（忽略二极管压降）Duty 越大，分母越小，Vin 不变，Vout 就越大；

这里也从电感特性分析，为什么这里也需要 PWM ？假设 MOS 管一直闭合，那么电感就会变成一条导线，然后就变成了 VCC 接 GND ，这点路就毁灭了，所以MOS 管闭合的时间需要控制；

电感除了阻碍电流变化外，也是一个储能元件，电流流经时间越长，储存的能量越多，所以在电感变为导线之前，MOS 闭合时间越长，电感能量就越多，MOS 管断开后，Vout 电压自然就升的更高：

以上通过对 BUCK 、 BOOST 电路工作过程分析，简单介绍了其降压升压的原理，希望对大家有所帮助

参考资料：《Basic Calculations of a 4 Switch Buck-Boost Power Stage》

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