第14课 Buck-Boost变换器

模式	条件	活跃开关	Vout/Vin
Buck	Vin > Vout	S1,S2 (S4常通)	D
Boost	Vin < Vout	S3,S4 (S1常通)	1/(1-D)
Buck-Boost	Vin ≈ Vout	S1,S2,S3,S4	D/(1-D)

关键挑战：Vin≈Vout时如何在Buck和Boost之间平滑切换？

方法1：Buck-Boost过渡模式

在Vin≈Vout时，两个开关周期交替工作：一个Buck周期+一个Boost周期

方法2：滞回切换

设定两个阈值V_H和V_L，Vin下降到V_L时从Buck切到Buck-Boost

方法3：直接切换

根据D判断：D<0.9用Buck，D>0.1用Boost，中间用Buck-Boost

5. 效率优化

四开关Buck-Boost的效率挑战：4个开关都有导通和开关损耗

Buck模式：S4常通(R_ds_on损耗)，S3关断
Boost模式：S1常通(R_ds_on损耗)，S2关断
Buck-Boost模式：4个开关都切换，效率最低

优化：尽量在Buck或Boost模式工作，减少Buck-Boost过渡区停留时间

6. SPICE仿真：四开关Buck-Boost

* Buck-Boost Converter - 4-switch Non-inverting * Can step up or step down: Vin=3.7V, Vout=3.3V Vin 1 0 DC 3.7 * 4-switch H-bridge S1 1 2 20 0 sw1 L1 2 3 2.2u S2 3 0 21 0 sw2 S3 1 3 22 0 sw3 S4 2 0 23 0 sw4 C1 3a 0 22u D1 2 3a diode D2 3 3a diode Rload 3a 0 3.3 * Buck mode: S1+S2 active, S3=off, S4=on * Boost mode: S1=on, S2=off, S3+S4 active * Transition: Vout ≈ Vin Vpwm1 20 0 pulse(0 5 0 1n 1n 0.9u 2u) Vpwm2 21 0 pulse(0 5 2n 1n 1n 0.9u 2u) Vpwm3 22 0 DC 0 Vpwm4 23 0 pulse(5 0 0 1n 1n 2u 2u) .model sw1 sw(ron=0.02 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model sw2 sw(ron=0.02 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model sw3 sw(ron=0.02 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model sw4 sw(ron=0.02 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model diode d(is=1e-14 rs=0.02) .tran 0.01u 60u 0 0.01u .print tran v(3a) i(L1) .end

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

仿真验证了Buck-Boost的升降压功能。

310e-15	
9492	5.979647e-05	2.744130e+00	2.211157e-15	
9493	5.980647e-05	2.743752e+00	-2.20921e-15	
9494	5.981647e-05	2.743374e+00	2.207268e-15	
9495	5.982647e-05	2.742996e+00	-2.20533e-15	
9496	5.983647e-05	2.742618e+00	2.203387e-15	
9497	5.984647e-05	2.742240e+00	-2.20145e-15	
9498	5.985647e-05	2.741863e+00	2.199512e-15	
9499	5.986647e-05	2.741485e+00	-2.19758e-15	
9500	5.987647e-05	2.741108e+00	2.195645e-15	
9501	5.988647e-05	2.740730e+00	-2.19371e-15	
9502	5.989647e-05	2.740352e+00	2.191784e-15	
9503	5.990647e-05	2.739975e+00	-2.18986e-15	
9504	5.991647e-05	2.739598e+00	2.187930e-15	
9505	5.992647e-05	2.739220e+00	-2.18600e-15	
9506	5.993647e-05	2.738843e+00	2.184082e-15	
9507	5.994647e-05	2.738466e+00	-2.18216e-15	
9508	5.995647e-05	2.738089e+00	2.180241e-15	

Index   time            v(3a)           l1#branch       
--------------------------------------------------------------------------------
9509	5.996647e-05	2.737712e+00	-2.17832e-15	
9510	5.997647e-05	2.737334e+00	2.176408e-15	
9511	5.998647e-05	2.736957e+00	-2.17449e-15	
9512	5.999647e-05	2.736580e+00	2.172581e-15	
9513	6.000000e-05	2.736447e+00	-3.69080e-06	


Total analysis time (seconds) = 0.073

Total elapsed time (seconds) = 0.088 

Total DRAM available = 7685.906 MB.
DRAM currently available =  599.859 MB.
Maximum ngspice program size =   21.973 MB.
Current ngspice program size =   13.664 MB.

Shared ngspice pages =   11.121 MB.
Text (code) pages =    6.156 MB.
Stack = 0 bytes.
Library pages =    2.738 MB.

7. 单电感多输出(SIMO) Buck-Boost

用一个电感产生多路不同电压输出：

时间复用：各路输出分时使用电感
交叉调节：一路负载变化影响其他路输出
优势：节省电感数量，减小面积
劣势：交叉调节问题、控制复杂

适合小电流多路输出的便携设备。

8. Cascaded Buck-Boost

将Buck和Boost级联，而不是四开关架构：

第一级Buck，第二级Boost
两级的中间电压V_mid可以自由选择
优势：每级独立设计，控制简单
劣势：两级效率相乘，总效率较低

η_total = η_Buck × η_Boost = 0.92 × 0.90 = 82.8%

常见问题FAQ

Q1: 四开关Buck-Boost比两个独立变换器好吗?

取决于应用。四开关方案面积小(一个电感)，但效率低(4个开关损耗)、控制复杂。两个独立变换器面积大，但各自效率高、控制简单。手机用四开关，服务器用独立。

Q2: Buck-Boost模式切换时输出会有毛刺吗?

会的，特别是Buck→Buck-Boost切换时。解决：在模式边界使用线性过渡区，两个开关周期交替工作。

Q3: 为什么不用SEPIC替代四开关?

SEPIC只需一个开关，但需要两个电感+耦合电容，效率比四开关低(约80% vs 90%)，且输出纹波更大。四开关虽然复杂但效率优势明显。

四开关Buck-Boost设计实例

规格: Vin=2.7~5.5V, Vout=3.3V/1A, f=1MHz

模式判断

Vin范围	模式	活跃开关
5.5V~3.5V	Buck	S1+S2(S4常通)
3.5V~3.1V	Buck-Boost	S1+S2+S3+S4
3.1V~2.7V	Boost	S3+S4(S1常通)

电感选择

L = max(Vin_max-Vout)/(f×ΔI_L) = (5.5-3.3)/(1M×0.4) = 5.5μH

选4.7μH标准值

效率对比

Buck模式: ~92%, Buck-Boost模式: ~85%, Boost模式: ~88%

最差效率出现在Buck-Boost过渡区(4开关都工作)

Buck-Boost进阶分析

四开关Buck-Boost的损耗详细分解

四种工作模式下的损耗对比：

损耗项	Buck模式	Boost模式	Buck-Boost模式
HS-FET导通	I²×R×D	0(S1常通)	I²×R×D
LS-FET导通	0(S4常通)	I²×R×(1-D)	I²×R×(1-D)
S3导通	0(关断)	I²×R×D	I²×R×D
S4导通	I²×R×(1-D)	0(S1常通)	I²×R×(1-D)
开关损耗	1×f×(tr+tf)	1×f×(tr+tf)	2×f×(tr+tf)
驱动损耗	2×Vgs×Qg×f	2×Vgs×Qg×f	4×Vgs×Qg×f

Buck-Boost模式损耗约为Buck模式的2倍！这解释了为什么应尽量避免在过渡区工作。

Buck-Boost应用场景分析

何时选择四开关Buck-Boost

关键判断条件：Vin是否可能跨越Vout

场景	Vin范围	Vout	推荐拓扑
锂电池3.7V→3.3V	3.0~4.2V	3.3V	四开关Buck-Boost
USB 5V→3.3V	4.5~5.5V	3.3V	Buck
超级电容→5V	2.7~5.5V	5V	四开关Buck-Boost
汽车12V→12V	6~18V	12V	四开关Buck-Boost
太阳能→3.7V	0.5~5V	3.7V	四开关Buck-Boost

规律：当Vin_min < Vout < Vin_max时，必须用Buck-Boost。

Buck-Boost的控制器设计

模式检测与自动切换

四开关Buck-Boost的模式检测逻辑：

  if (Vout > Vin + V_hyst_high) {
      mode = BOOST;    // S1常通，S3/S4开关
  } else if (Vout < Vin - V_hyst_low) {
      mode = BUCK;     // S4常通，S1/S2开关
  } else {
      mode = BUCK_BOOST;  // 4开关都工作
  }

Buck-Boost模式的占空比计算

Buck-Boost模式等效占空比：

D = V_out / (V_in + V_out)

例：Vin=3.5V, Vout=3.3V → D = 3.3/6.8 = 0.485

控制环路需要处理模式切换时的增益突变。

本课要点回顾与公式速查

核心概念

第14课"Buck-Boost变换器"的核心知识点总结：

理解基本工作原理和电路拓扑
掌握关键参数的计算方法
学会SPICE仿真验证设计
能够独立完成相关模块的设计与调试

关键公式速查

公式	说明	典型值
V_out = V_in × D	Buck输出电压	D: 0.1~0.9
V_out = V_in/(1-D)	Boost输出电压	D: 0.1~0.85
η = P_out/P_in	效率定义	70~95%
ΔI_L = (V_L × Δt)/L	电感电流变化	0.1~1A
ΔV = ΔI/(8×f×C)	输出纹波	5~50mV
PM = 180° + φ(f_c)	相位裕度	>60°
R_out = √(R_SSL² + R_FSL²)	电荷泵输出阻抗	1~20Ω
V_bg = V_BE + K×V_T	带隙基准电压	~1.2V
T_j = T_a + P×θ_JA	结温估算	<150°C

设计checklist

☐ 规格确认：电压、电流、精度、效率要求
☐ 拓扑选择：LDO/Buck/Boost/电荷泵
☐ 参数计算：L、C、R、开关尺寸
☐ SPICE仿真：DC/AC/TRAN验证
☐ 补偿设计：Type II/Type III
☐ 保护设计：OVP/UVP/OCP/OTP
☐ 版图考虑：匹配、热、EMI
☐ 测试验证：关键参数测量

与前后课程的关联

本课内容在整个PMU设计体系中的位置：

前置知识：电路基础、模拟IC设计、信号与系统
后续应用：PMU系统集成、芯片级设计
相关课程：模拟集成电路、电力电子、控制理论

每课的SPICE仿真是连接理论与实践的桥梁，务必动手修改参数、观察变化，才能真正理解设计中的trade-off。

🔄 第14课 Buck-Boost变换器

📚 本课目标

1. 反相Buck-Boost

2. 四开关非反相Buck-Boost

3. 三种工作模式

4. 模式切换策略