今天给大家分享的是:为什么 Buck-Boost 芯片没有输出负压?
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不知道大家在项目于上使用Buck-Boost芯片时,有没有这样的疑问:选用的明明是升降压变换器,也在单板上正常使用了,但是输出并不是负压!
应该很多人有过这样的设计:输入电压是2.5~5V,输出3.3V,DC-DC芯片选用的就是Buck-Boost芯片,输出也的确是正的3.3V,并不是基础拓扑说的负压!
那到底是原因导致的呢?
先了解标准的 Buck-Boost 变换器的拓扑。当 Q1 开关管导通时,输入电压对电感进行充电,此时二极管D1截止。
当 Q1 开关管闭合时,电感阻止电流的降低,感应出的电流对负载充电,此时二极管 D1导通,则负载下端电压高,上端电压低,如果将下端作为 GND,输出即为负压。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/496/w1429h667/20240702/8a15-bc686a0e66305c4ef9e0b917b1d9c245.png)
标准的Buck-Boost变换器的拓扑
按照 Buck-Boost 的工作原理,输出确实应该就是负压,但实际上各大厂商提供的Buck-Boost芯片很少是输出负压的。
比如 MP28160芯片,从芯片外部来看,就一个电感。从芯片的描述来看,明明就是 Buck-Boost 芯片,但是输出却是正电压。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/443/w707h536/20240702/c8f4-f17b3f0e6a32c3bfc833e5471d5f833b.png)
MP28160芯片外部
要解决上面的疑问,还要深入到芯片内部来看。
下面是 MP28160 的内部框图,竟然有四个MOS管。这和最开始介绍的Buck-Boost拓扑并不一样!没有二极管,而且多了三个MOS管。
![MP28160 的内部框图](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/242/w959h883/20240702/6807-60b58a8a47cac6add874f0ba3e538041.png)
现在,我们来推导一下,从负压的 Buck-Boost 怎么得到正压的四管的 Buck-Boost。
1、目标是输入2.5V~5V,输出3.3V,可以先升压再降压
如下图所示,将两个拓扑串联起来,完全可以实现目标需求,而且是正压输出。
但是这里有两个电感,而且需要两个控制器,一个降压,一个升压,同时这里还有两个二极管,损耗比较高,效率低,且成本高。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/615/w1080h335/20240702/1b2d-31d7d35162d9cd41dd89805570669bb2.png)
2、为了解决上述问题,将二极管换成 MOS 管
只要合理控制上述4个MOS管的开通和关断时序,完全可以实现升压,降压功能,且输出正压。
但是这里还是有个问题没解决——存在两个电感!
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/557/w1007h350/20240702/22a0-d502b2a52740504e3a72a232ef56c8d3.png)
3、为了解决两个电感的问题,改用降压和升压串联
这种方案相比升压和降压串联,只有一个电感,输出正压,更接近目标的需求。但是因为存在两个二极管,还是会存在效率低,无法用在大功率的场合。因此,还需要进一步优化。
4、将二极管更换为MOS管
经过上述4步的变换,既可以实现了目标需求,同时还和刚刚看到的 MP28160芯片内部的拓扑框图一致,这说明,使用降压和升压拓扑串联,其实是可以实现升降压的。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/776/w1080h496/20240702/88a7-0feb2f1eb86f0fb7ba58e51d64f6384b.png)
所以,大家在单板上使用的Buck-Boost芯片,更为准确的说应该是四管单电感升降压变换器。与最初大家所熟知的,带有二极管的负极性的Buck-Boost拓扑并不是描述的同一个电路拓扑。
在 MP28160 Datasheet 上找到相关的描述,MOS管的开通的关断会自动根据输入和输出电压的关系,进行MOS时序控制。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/602/w433h969/20240702/e796-db06ec6cd952b76eea756e671eeee7d9.png)
MP28160 Datasheet
1、当输入电压高于输出电压时,工作在 Buck模式
Buck 模式时序如下,这种模式下要求Q3一直需要导通。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/722/w1080h442/20240702/4443-981f30ab4a8b7d84b981f3680b66bb1b.png)
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/797/w1080h517/20240702/8a39-8a5b29fa1eae1a38c35281c8332dd684.png)
2、当输出电压高于输入电压时,工作在Boost模式时
时序如下,这种模式下要求Q1一直需要导通。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/769/w1080h489/20240702/3111-0513e10176363844ae21b413c40b7117.png)
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/764/w1080h484/20240702/9e95-3a42edf292a56e97122961d0d885eb68.png)
3、当输入电压和输出电压接近时,工作在Buck-Boost模式
这种模式存在两种方式:
(1)当输入电压高于输出电压时,此时有Buck充电和Boost充电两种方式,而只有Buck放电一种方式;
Buck充电方式,MOS管工作时序
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/784/w1080h504/20240702/1f69-e9ffe0fc8556b511245d4fbdb9d368b4.png)
Buck充电方式,MOS管工作时序
Boost充电方式,MOS管工作时序
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/779/w1080h499/20240702/7dd8-75ca6ac0eed7a9d8d2fb97fa6fadd52d.png)
Boost充电方式,MOS管工作时序
Buck放电方式,MOS管工作时序
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/775/w1080h495/20240702/213f-b4a671249ae152b93dc257be93a40c7f.png)
Buck放电方式,MOS管工作时序
(2)当输出电压高于输入电压时,此时只有Boost充电一种方式,而有Buck放电和Boost放电两种方式;
Boost充电方式,MOS管工作时序
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/779/w1080h499/20240702/6fff-6adf858af11398f90a9fa9c22631df05.png)
Boost充电方式,MOS管工作时序
Buck放电方式,MOS管工作时序
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/784/w1080h504/20240702/97ad-7923be2c2b5da15a096abf9ac72d1a32.png)
Buck放电方式,MOS管工作时序
Boost放电方式,MOS管工作时序
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240702/775/w1080h495/20240702/7f74-bf24eaff88744baf9bf43124370fd0cb.png)
Boost放电方式,MOS管工作时序
从上面的分析可以看出,四管升降压的拓扑相比带有二极管的负压Buck-Boost而言,工作模式多样,控制方式也比较复杂,在PCB布局设计时要求也更高,因为出现了更多SW节点和功率回路。
基础的Buck-Boost拓扑,输出的确是负压。但是在实际工作应用中,需要Buck-Boost拓扑,且输出负压的并不多。目前被广泛使用的,只有一个电感的升降压电路,准确的来说,并不是我们常说的Buck-Boost基础拓扑。
只不过是四管单电感的这种拓扑恰好实现了升降压的功能,而且还仅仅就一个电。因此,这种升降压电路更为准确的说法应该是:四管单电感升降压型Buck-Boost拓扑。
四管的工作时序和模式和输入和输出电压有较强的关联系,当输入大于输出时,Buck多,Boost少;当输出大于输入时,Buck少Boost多。
回到开头的疑问,基础的、三种非隔离的DC -DC拓扑之一的Buck-Boost,输出是负压。但是,目前使用较多的,输出是正压的,应该是四管单电感升降压型拓扑,很明显它属于Buck-Boost,但作为硬件开发人员,需要做好区分,而不能混为一体。
来源:《大话硬件》https://mp.weixin.qq.com/s/Xv_ADhyq5Ag1sU6VgidXLQ
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