2.3　降壓/升壓式變換器的工作原理

降壓/升壓式DC/DC變換器，簡稱降壓/升壓式變換器，英文為Buck-BoostConverter，也稱Buck-Boost變換器，也是基本的DC/DC變換器之一。由于這種變換器的輸出電壓與輸入電壓極性相反，因此也叫極性反轉(zhuǎn)式變換器。例如將1.5V或12V電壓變換成-12V或-5V電壓。降壓/升壓式變換器的損耗較小，效率較高，并具有極性變換和降壓/升壓的作用，主要應用于需要電源極性變換及由電池供電的便攜式電子設備中。

2.3.1　降壓/升壓式DC/DC變換器的拓撲結構

降壓/升壓式DC/DC變換器的拓撲結構如圖2-3-1所示。圖中U_I為直流輸入電壓，VT為功率開關管，VD為續(xù)流二極管，L為儲能電感，C為輸出濾波電容，U_O為直流輸出電壓，R_L為外部負載電阻。脈寬調(diào)制器（PWM）用來控制功率開關管VT的導通與關斷，是變換器的控制核心。

2.3.2　降壓/升壓式DC/DC變換器的工作原理

降壓/升壓式DC/DC變換器的功率開關管VT在脈寬調(diào)制（PWM）信號的控制下，交替地導通與關斷（也稱截止），相當于一個機械開關高速地閉合與斷開，其工作原理如圖2-3-2所示。圖2-3-2給出了VT導通和關斷時的電流路徑，為了便于電路分析，圖中用開關S的閉合與斷開來代替VT的導通和關斷。

當VT導通（即S閉合）時，如圖2-3-2（a）所示，輸入電壓U_I直接加到儲能電感L的兩端，續(xù)流二極管VD截止。因為L上施加了U_I的電壓，使其電流I_L線性地增加，電感儲存的能量也在增加，電感的感應電動勢為上“+”下“-”。在此期間，輸入電流（即電感電流I_L）提供的能量以磁場能量的形式存儲在儲能電感L中。同時濾波電容C放電為負載R_L提供電流I_O，電容C的放電電流I₁與負載電流I_O相等。

當VT關斷（即S斷開）時，如圖2-3-2（b）所示，由于電感電流不能發(fā)生突變，因此在L上就產(chǎn)生上“-”下“+”的感應電壓，以維持通過電感的電流I_L不變。此時續(xù)流二極管VD導通，儲存在L中的磁場能量轉(zhuǎn)化為電能，對輸出濾波電容C進行充電，并向負載R_L提供電流。電感電流I_L為電容充電電流I₂和負載電流I_O的總和。

降壓/升壓式DC/DC變換器的電壓及電流波形如圖2-3-3所示。PWM表示脈寬調(diào)制波形，t_ON為功率開關管VT的導通時間，t_OFF為功率開關管VT的關斷時間。T為開關周期。U_E為功率開關管VT的發(fā)射極電壓波形。I_C為VT的集電極電流波形。I_F為續(xù)流二極管VD的電流波形，I_L為電感電流波形。可以看出，功率開關管VT導通時，其發(fā)射極電壓U_E等于輸入電壓U_I；在VT關斷時，其發(fā)射極電壓U_E等于輸出電壓U_O（U_O為負電壓）。在功率開關管VT導通期間，電感電流線性增加；在VT關斷期間，電感電流線性減小。電感電流I_L是由VT的集電極電流I_C和續(xù)流二極管VD的電流I_F疊加形成的。

降壓/升壓式DC/DC變換器具有以下特點。

① 輸出電壓U_O可以小于U_I也可以大于U_I，故稱之為降壓/升壓式變換器。U_O與U_I的關系為U_O=-DU_I/（1-D），通過控制占空比D的大小就能改變輸出電壓。

② 輸出電壓U_O與輸入電壓U_I的極性相反，因此也稱其為極性反轉(zhuǎn)式變換器。

③ 功率開關管VT承受的最大電壓U_CE=U_I-U_O。因U_O為負電壓，實際上U_CE為U_I與U_O的絕對值之和。

④ 功率開關管VT集電極的最大電流I_C=I_O/（1-D）。

⑤ 續(xù)流二極管VD的平均電流I_F=I_O。

⑥ 續(xù)流二極管VD承受的反向電壓U_R=U_I-U_O。因U_O為負電壓，實際上U_R為U_I與U_O的絕對值之和。

降壓/升壓式DC/DC變換器的集成電路產(chǎn)品有MAX764、MAX776和TPS6755等。