3. 拓扑结构基础（二）
上一章我们聊了 Buck 降压，这次把 Boost 升压和 Buck-Boost 升降压一起讲完。这三个拓扑，说白了就是开关电源的“三原色”。你把这三种吃透了，后面看正激、反激、半桥、全桥，会发现它们都是在这基础上变花样。
我个人习惯，学一个新拓扑，先盯着开关管导通和关断两个状态看。电流怎么走，电感怎么充放电，输出电容怎么续命。搞清楚了这两个状态，波形图自然就画出来了。
3.1 Boost 变换器：低压侧到高压侧的桥梁
Boost 电路，也叫升压变换器。它的输出一定比输入高。你想想看，如果输出比输入还低，那它就不是 Boost 了，对吧？
3.1.1 基本结构与工作原理
Boost 的拓扑结构很简单：输入源 → 电感 → 二极管 → 输出电容和负载。开关管跨接在电感后面、二极管前面，对地。
关键点来了：电感的左边接输入，右边通过二极管接输出。这个结构决定了它的升压特性。
开关管导通时，电感左正右负，电流从输入流过电感再经开关管回地。二极管反偏截止，输出电容单独给负载供电。
开关管关断时，电感电流不能突变，电感两端电压反向，变成左负右正。这个反电势加上输入电压，一起通过二极管向输出电容和负载供电。输出电压自然就比输入高了。
Boost 升压的核心秘密： 电感在开关管导通时储能，关断时释放。释放时电感电压与输入电压串联叠加，共同向输出端供电。这就是“升压”的本质。
3.1.2 关键波形与占空比
Boost 的占空比公式：Vout = Vin / (1 - D)。注意，这里 D 是开关管导通的占空比。
举个例子，输入 5V，想要输出 12V，那 D 就是 1 - 5/12 ≈ 0.583。也就是 58.3% 的时间开关管导通。
关键波形我列一下：
- 电感电流 iL： 导通时线性上升，关断时线性下降。连续模式下是三角波。
- 开关管漏源电压 Vds： 导通时接近 0V，关断时等于输出电压 Vout。
- 二极管电流 iD： 导通时为零，关断时等于电感电流。
- 输出纹波： 主要由输出电容的 ESR 和充放电电流决定。
我的一点经验： 做 Boost 设计时，很多人只盯着电感饱和电流，却忽略了二极管的耐压。Boost 关断时二极管承受的反压就是输出电压。我曾经有个项目，选了 40V 耐压的肖特基，输出才 24V，结果一上电就炸。后来查出来是寄生振荡把电压尖峰推到了 38V。嗯，从此以后我至少留 1.5 倍余量。
3.1.3 连续与断续模式
Boost 同样有 CCM（连续）和 DCM（断续）两种模式。临界电感值：Lc = (Vin² × D) / (2 × fsw × Pout)。
电感大于 Lc 就是 CCM，小于就是 DCM。DCM 下，电感电流会降到零，然后有一段“死区”。
我个人建议，大功率应用尽量工作在 CCM。DCM 虽然小电感便宜，但电流峰值高，对开关管和输出电容的应力都大。
3.2 Buck-Boost 变换器：正负电压的魔术师
Buck-Boost，名字就告诉你了：它既能降压也能升压。但有个特点——输出电压是反相的。输入正电压，输出负电压。
3.2.1 拓扑结构与工作模式
Buck-Boost 的结构：输入源 → 开关管 → 电感 → 二极管 → 输出电容和负载。注意，电感和二极管的位置跟 Buck、Boost 都不一样。
开关管导通时，输入直接给电感充电，电流从输入经开关管、电感回地。二极管反偏，输出电容单独供电。
开关管关断时，电感电流继续流，但回路变了：电感左端被拉到地（通过负载和二极管），右端输出负电压。所以输出是负的。
注意： Buck-Boost 的输出是负压。如果你的负载需要正电压，要么用隔离拓扑，要么在输出端再加一级反相器。我见过不少新手把 Buck-Boost 的输出直接接到正压负载上，结果电路不工作还烧芯片。
3.2.2 占空比与电压关系
Buck-Boost 的电压关系：Vout = -Vin × D / (1 - D)。
当 D < 0.5 时，|Vout| < Vin，工作在降压模式。当 D > 0.5 时，|Vout| > Vin，工作在升压模式。D = 0.5 时，|Vout| = Vin。
举个例子，输入 12V，想要输出 -5V，那 D = 5/(12+5) ≈ 0.294。想要输出 -24V，那 D = 24/(12+24) ≈ 0.667。
3.2.3 关键波形对比
我把 Buck、Boost、Buck-Boost 的关键参数放在一起对比，方便你记忆：
| 参数 | Buck | Boost | Buck-Boost |
|---|---|---|---|
| 电压关系 | Vout = Vin × D | Vout = Vin / (1-D) | Vout = -Vin × D/(1-D) |
| 输出电压极性 | 正 | 正 | 负 |
| 开关管耐压 | Vin | Vout | Vin + |Vout| |
| 二极管耐压 | Vin | Vout | Vin + |Vout| |
| 电感电流 | 等于输出电流 | 等于输入电流 | 等于输入+输出电流 |
| 输出纹波 | 较小 | 较大 | 较大 |
从表格能看出来，Buck-Boost 的开关管和二极管承受的电压应力是 Vin + |Vout|，比 Buck 和 Boost 都高。电感电流也更大。所以同样的功率等级，Buck-Boost 的器件选型要更“强壮”一些。
3.3 三种拓扑的选型思路
实际项目中怎么选？我一般按这个逻辑来：
- 输出比输入低，且同极性： 选 Buck。效率最高，纹波最小。
- 输出比输入高，且同极性： 选 Boost。结构简单，控制成熟。
- 输出可高可低，或需要负压： 选 Buck-Boost。但要注意器件应力。
- 需要隔离： 以上三种都不行，去看反激或正激拓扑。
避坑指南： 我曾经有个项目，输入 9-18V，输出 12V。按理说 Buck-Boost 最合适，但我选了 Boost，想着输入最低 9V 升到 12V 没问题。结果输入到 18V 时，Boost 不能降压，输出直接飙到 30V 以上，把后级电路全烧了。嗯，从那以后，输入范围跨越输出电压的场合，老老实实用 Buck-Boost 或 SEPIC。
3.4 知识结构总览
下面这张图把三种拓扑的核心知识点串起来了。你可以把它当作复习提纲：
3.5 仿真验证要点
学完理论，我建议你马上搭个仿真电路验证一下。仿真时重点关注这几个点：
- 启动过程： 输出电压会不会过冲？我见过 Boost 启动时输出冲到 1.5 倍设定值，把负载打坏的。
- 负载突变： 从轻载切到重载，电压跌落多少？恢复时间多长？
- 输入电压变化： 输入波动时，输出能不能稳住？特别是 Buck-Boost，输入范围宽，环路补偿要仔细调。
- 开关管和二极管应力： 看波形，有没有尖峰？有没有振铃？
再啰嗦一句： 仿真不能替代实物测试。仿真模型再精确，也模拟不了 PCB 布局的寄生参数、温度变化、器件离散性。我习惯的做法是：仿真验证原理，实物验证极限。两者结合，才能做出靠谱的电源。
好了，三种基本拓扑就讲到这里。你先把 Buck、Boost、Buck-Boost 的原理和波形吃透，后面学隔离拓扑时会轻松很多。