Buck-Boost變換器的拓撲結構

大家好，這里是大話硬件。

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四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。

回到開頭的疑問，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。