一、核心拓扑结构与工作原理
1. 降压（Buck）转换器
- 功能：将输入电压降低至输出电压（Vin > Vout）。
- 工作原理：
- 通过高频开关（如MOSFET）控制电感储能与释放。
- 开关导通时，电感储能；开关断开时，电感释放能量至负载。
- 关键元件：开关管、电感、二极管（或同步整流管）、输出电容。
- 特点：
- 效率高（通常85%-95%）。
- 输出纹波小（需合理设计滤波电路）。
- 仅支持降压场景。
2. 升压（Boost）转换器
- 功能：将输入电压升高至输出电压（Vin < Vout）。
- 工作原理：
- 开关导通时，电感储能；开关断开时，电感与输入电压叠加，通过二极管向负载供电。
- 关键元件：开关管、电感、二极管、输出电容。
- 特点：
- 效率较高（通常80%-90%）。
- 输出电压必须高于输入电压。
- 需注意电感饱和电流和二极管反向恢复时间。
3. 升降压（Buck-Boost）转换器
- 功能：实现输出电压高于、低于或等于输入电压（Vout可正可负）。
- 工作原理：
- 结合Buck和Boost拓扑，通过控制开关时序，使电感在充电和放电阶段均能调节电压极性。
- 关键元件：开关管（通常4个）、电感、二极管（或同步整流管）、输出电容。
- 特点：
- 灵活性高（支持任意电压转换）。
- 效率略低于Buck/Boost（通常75%-85%）。
- 电路复杂，成本较高。
二、性能参数对比
| 参数 | Buck（降压） | Boost（升压） | Buck-Boost（升降压） |
|---|
| 输入/输出关系 | Vin > Vout | Vin < Vout | Vout可高于/低于/等于Vin |
| 效率 | 高（85%-95%） | 较高（80%-90%） | 中等（75%-85%） |
| 电路复杂度 | 简单（2开关+1电感） | 中等（2开关+1电感） | 复杂（4开关+1电感） |
| 成本 | 低 | 中等 | 高 |
| 输出纹波 | 小 | 中等 | 中等 |
| 应用场景 | CPU供电、电池降压 | 太阳能充电、LED驱动 | 电池电压波动场景、反相供电 |
三、典型应用场景
1. Buck（降压）应用
- 电池供电设备：如手机、平板电脑（将锂电池电压从3.7V降至1.8V/3.3V）。
- 工业控制：为PLC、传感器供电（将24V工业电压降至5V/12V）。
- 汽车电子：为车载娱乐系统供电（将12V电池电压降至5V）。
2. Boost（升压）应用
- 太阳能系统：将低电压太阳能板输出（如18V）升压至电池充电电压（如48V）。
- LED驱动：为高亮度LED供电（如将3.7V锂电池升压至12V/24V）。
- 超级电容储能：将低电压电容能量升压后释放（如无线传感器节点）。
3. Buck-Boost（升降压）应用
- 电池电压波动场景：如无人机电池（电压从16.8V（满电）降至12V（空电）时，稳定输出12V）。
- 反相供电：生成负电压（如为运算放大器提供-5V电源）。
- 多节电池串联/并联切换：如电动工具中，根据负载需求动态调整电压。
四、选型决策指南
1. 根据电压关系选择
- 仅需降压 → 选Buck（成本低、效率高）。
- 仅需升压 → 选Boost（结构简单）。
- 电压可能高于/低于输入 → 选Buck-Boost（灵活性优先）。
2. 根据效率需求选择
- 高效率优先（如电池供电设备）→ 优先Buck，其次Boost，尽量避免Buck-Boost。
- 效率次要（如实验室电源）→ 可接受Buck-Boost的效率损失。
3. 根据成本与体积选择
- 低成本/小体积（如消费电子）→ 选Buck（外围元件少）。
- 高功率/复杂需求（如工业设备）→ 选Buck-Boost（功能全面）。
五、设计注意事项
- 电感选型：
- 根据开关频率、电流和纹波要求选择电感值（L = (Vin - Vout) × D / (fs × ΔIL)）。
- 确保电感饱和电流大于峰值电流。
- 电容选型：
- 输入/输出电容需满足纹波电流和ESR要求（如陶瓷电容+电解电容组合）。
- 同步整流：
- 在Boost/Buck-Boost中，用MOSFET替代二极管可提高效率（降低导通损耗）。
- 控制模式：
- 电压模式（简单但动态响应慢）或电流模式（响应快但需补偿设计）。
六、案例分析
- 案例1：无人机电池供电
- 需求：电池电压16.8V（满电）→12V（空电），需稳定输出12V/5A。
- 方案：选Buck-Boost芯片（如TPS63070），支持输入电压范围3V-20V，输出12V。
- 案例2：太阳能LED路灯
- 需求：太阳能板输出18V（白天）→ 升压至24V驱动LED（夜间）。
- 方案：选Boost芯片（如MT3608），支持输入8V-30V，输出24V/2A。
- 案例3：车载音频系统
- 需求：汽车电池电压12V（波动9V-16V）→ 稳定输出±15V为运放供电。
- 方案：选Buck-Boost芯片（如LTC3115），支持输入2.7V-40V，输出±15V。
