4. Buck-Boost拓扑原理

Buck-Boost 变换器是宽压电源设计中最具代表性的非隔离拓扑之一。它的核心价值在于：输入电压既可以高于输出电压，也可以低于输出电压，而输出极性相对于输入是反相的。理解 Buck-Boost，不能只记公式，而要把“开关状态—电感储能—能量释放—电压传输比”这条因果链真正串起来。

Vout / Vin = -D / (1 - D)

一、拓扑结构与两种开关状态

Buck-Boost 的基本结构由开关管 Q、电感 L、二极管 D、输出电容 Cout 组成。输入端为 Vin，输出端为 Vout，注意输出参考方向与输入相反。电路只有两个有效状态：

• 状态一：Q 导通，D 截止。输入电源通过 Q 给电感 L 充电，电感电流线性上升，电感储存能量。此时输出电容 Cout 单独向负载供电，负载电流由 Cout 提供。
• 状态二：Q 关断，D 导通。电感 L 中的电流不能突变，它通过二极管 D 向输出电容和负载释放能量。此时电感电流线性下降，输出电容被充电，同时维持负载电压。

这两个状态交替出现，形成开关周期 Ts。设 Q 导通时间为 Ton，关断时间为 Toff，则占空比 D = Ton / Ts，关断比 1-D = Toff / Ts。Buck-Boost 的能量传递不是直接“输入到输出”，而是“先存入电感，再释放到输出”，这是它与 Buck、Boost 在能量路径上的关键区别。

二、电感储能与释放过程

在状态一中，电感两端电压近似为 Vin，电感电流变化率为：

ΔiL(on) = (Vin / L) × Ton

在状态二中，电感通过二极管向输出释放能量，电感两端电压近似为 Vout（注意极性反相），电感电流变化率为：

ΔiL(off) = (Vout / L) × Toff

稳态时，一个周期内电感电流的净变化为零，即 ΔiL(on) = ΔiL(off)。由此可得：

Vin × Ton = Vout × Toff
Vin × D × Ts = Vout × (1 - D) × Ts
Vout / Vin = D / (1 - D)

考虑输出反相，最终得到 Vout / Vin = -D / (1 - D)。这就是 Buck-Boost 电压传输比的标准推导过程。它说明：占空比 D 不仅决定输出电压大小，还决定工作模式是降压还是升压。

三、CCM 与 DCM 的边界

上述推导默认电感电流连续，即 CCM（连续导通模式）。如果负载较轻或电感较小，电感电流在关断期结束前降到零，就进入 DCM（断续导通模式）。DCM 下电压传输比不再只由 D 决定，还与负载、电感、开关频率有关，输出调节特性会变差，纹波和 EMI 也可能恶化。

四、案例：12V 输入、-24V 输出的参数估算

假设 Vin = 12V，目标 Vout = -24V，开关频率 fs = 200kHz，电感 L = 22μH，负载电流 Iout = 1A。先求占空比：

|Vout| / Vin = D / (1 - D)
24 / 12 = D / (1 - D)
2 = D / (1 - D)
2 - 2D = D
D = 2/3 ≈ 0.667

再估算电感纹波电流：

Ts = 1 / 200kHz = 5μs
Ton = D × Ts = 0.667 × 5μs ≈ 3.33μs
ΔiL = (Vin / L) × Ton
    = (12V / 22μH) × 3.33μs
    ≈ 1.82A

若平均电感电流约为 Iout / (1-D) = 1A / 0.333 ≈ 3A，则峰值电流约 3A + 0.91A = 3.91A。这说明 Buck-Boost 的电感电流和开关管电流应力通常比同功率 Buck 更大，选型时必须留足余量。

五、复盘要点

1. Buck-Boost 的能量传递是“先储后放”，不是直接传递。
2. 两个开关状态分别对应电感充电和电感放电，稳态时伏秒平衡。
3. 电压传输比 Vout/Vin = -D/(1-D)，负号表示反相。
4. D < 0.5 降压，D > 0.5 升压，D = 0.5 时 |Vout| = Vin。
5. CCM 下公式简洁，DCM 下特性变差，轻载设计要特别关注。
6. 电感电流应力和开关管电压应力随 D 增大而增大，选型需留余量。

掌握 Buck-Boost 的关键，不是背下公式，而是能从“Q 导通储能、Q 关断释能”这两个状态出发，独立推导出电压传输比，并判断电路工作在 CCM 还是 DCM。只有这样，后续的宽压电源参数设计、电感选型、环路补偿和热设计才有可靠基础。