为什么有些Buck-Boost芯片没有输出负压?

2023-11-19

大家好,这里是大话硬件。

今天分享一篇和Buck-Boost拓扑相关的问题,也是在最开始接触Buck-Boost芯片时,就在内心产生了疑问。

在开始学习DC-DC拓扑时,很多资料都说,非隔离型的DC-DC拓扑常见的有3种,分别是Buck,Boost,Buck-Boost,且Buck-Boost输出是负压。

的确,在工作中,这三种非隔离DC-DC在单板设计上面确实使用比较多,特别是降压的DC-DC。一个单板上可能有上十个都不止,而Boost和Buck-Boost相对还好,用量没有降压大。

下面是MPS官网的开关变换器和控制器的分类,从类型上也可以看出,Buck转换器最多,Boost次之,但均明显比Buck-Boost多。
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不知道大家在项目上使用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!

应该很多人都有过这样的设计: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!

上述的问题和现象,到底是什么原因导致的呢?这种疑问,在我第一次用Buck-Boost芯片就产生了,但是并未做进一步的学习。这可能就是所谓的“学而不思则罔”吧,能用就行,原理嘛,并为深究。但不可行。

首先,我们来看下标准的Buck-Boost变换器的拓扑。
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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。
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MPS的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。
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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。
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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。

**第一步:**目标是输入2.5V~5V,输出3.3V,可以先升压再降压;
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如上图所示,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。

**第二步:**为了解决上述问题,将二极管换成MOS管

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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!

**第三步:**为了解决两个电感的问题,改用降压和升压串联
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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。

**第四步:**将二极管更换为MOS管
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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。

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。

对于上述4个MOS管的拓扑,是如何实现所需要的电压?
在MP28160数据手册上找到相关的描述,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。
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当输入电压高于输出电压时,工作在Buck模式。时序如下,这种模式下要求Q3一直需要导通。

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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。
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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
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Boost充电方式,MOS管工作时序
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Buck放电方式,MOS管工作时序

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(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
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Boost放电方式,MOS管工作时序
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Buck放电方式,MOS管工作时序

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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。

总结一下:
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。

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