深度解读四开关Buck-Boost电路及变换器

四开关Buck-Boost变换器的讨论

在非隔离电源方案中，Buck、Boost、Buck-Boost电路应用非常广，很多工程师对这三种电路非常熟。下面我们一起聊聊四开关Buck-Boost电路。

常规的Buck-Boost电路，Vo=-Vin*D/(1-D)，输出电压的极性和输入电压相反。

简要的四开关Buck-Boost电路，Vo=Vin*D/(1-D)，输出电压的极性与输入电压相同。

四开关buck-boost的拓扑很简单，如下图。

对于四开关buck-boost，它本身有一种非常传统简单的控制方式。

那就是Q1和Q3同时工作，Q2和Q4同时工作。并且两组MOS交替导通，如上图。

如果把Q2和Q4换成二极管，那么也是同样能工作，只不过没有同步整流而已。

对于这种控制方式，在CCM情况下我们可以得到公式：

Vin*D=Vout（1-D）也就是说，Vout=Vin*D/(1-D). 这个电压转换比和我们常见的buck-boost是一样的。

只不过常见的buck-boost的输出电压是负压，而四开关输出的是正压。

但是这种控制方式的优点是简单，没有模态切换。但是缺点是，四个管子都在一直工作，损耗大，共模噪音也大。

基于传统控制方式的缺点。多年前，一家知名的IC公司推出了一款控制IC，革新了这个拓扑的控制方式。

其思路就是当Vin〉Vout的时候，把这个拓扑当纯粹的BUCK来用，当Vin

但是，这种思路本身没什么奇特之处。真正有技术含量的是，当VIn=Vout的时候，采用怎么样的控制方式？

从buck过渡到中间模态，再过渡到boost的时候，如何做到无缝切换？这几个问题，后来成为各家IC公司，大开脑洞，争夺知识产权的战场。

接下来，我来介绍某特公司的IC的控制逻辑。

先假设输出为固定的12V，输入假设为一个电池，充满电电压为16V，放电结束电压为8V。

那么从输入16V开始，此时的工作状态显然是BUCK

那么四个管子的驱动信号如下图

那么当输入电池电压逐渐开始降低，M1的占空比也逐渐开始增大，而M2的占空比开始减小。

此时M2的占空比是个关键的参数。

因为IC内部对M2的脉宽有个最小设定，假如说是200ns。

那么现在假设输入电压掉到12.5V，而M2的脉宽也收缩到了200ns。IC内部的逻辑电路就认为到了模态切换的时候了。

此时发生的变化是，M3和M4两个管子不再是常关和常通的状态，而是开始开关了。

如果我们把上图进行分解，就会发现一个有趣的现象，就是在一个clock周期里面，前半周期是buck，后半周期是boost

这个时候boost切进去的时候，M3是以最小占空比切入的，而且该占空比不可调。

此时M2的占空比则会从最小突然展宽以抵消boost模特切入的影响。在这个时候，输出会产生一个动态效应。

那么当输入继续下降的时候，M2的占空比会继续减小。

那么当M2再度回到最小占空比的时候，IC内部逻辑电路会认为模态需要再次转换了。

此时，M2将固定在最小占空比，而M3则开始跳出最小占空比，可以逐渐展宽。理论上来说，这个过渡应该是完全无缝的切换，

但是由于芯片内部的clock时序的切换，也会对输出造成一种动态效应。

这个时候，变成了前半周期是boost，后半周期是buck。

同样，当输入电压继续降低的时候，电路会切入完全的boost模态。

当然另外一家IC巨头，某某仪器公司也有类似的IC，他们最大的区别，就是在buck-boost这个模态。

某某仪器的IC，在buck-boost模态，是一个周期是buck，下一个周期是boost，如此轮回。而某某尔特公司的IC却是在一个周期内，前半周期是buck，后半周期是boost。

总的来说，两家异曲同工。