开关电源基础：Buck、Boost、Buck-Boost拓扑
做数字电源控制，第一个绕不开的就是拓扑结构。说白了，你得先知道功率级长什么样，才能谈怎么控制它。
我个人习惯把三种基本拓扑——Buck、Boost、Buck-Boost——比作电源工程师的「三原色」。你往后看，所有复杂的隔离电源、多相电源，本质上都是它们的变体或组合。
Buck 降压拓扑
Buck 电路，也叫降压变换器。输入电压高，输出电压低。这是最常用的拓扑，没有之一。
我当年第一个量产项目就是 Buck 控制器。那时候刚入行，觉得原理简单，结果在环路补偿上栽了跟头。嗯，这个后面再细说。
工作原理
Buck 电路由四个核心元件组成：开关管 Q、续流二极管 D、电感 L、输出电容 C。
工作分两个阶段：
- 开关导通阶段：Q 导通，输入 Vin 通过 Q 给 L 充电，同时给负载供电。电感电流线性上升。
- 开关关断阶段：Q 关断，L 通过 D 续流，电感电流线性下降。输出电容维持电压稳定。
稳态时，伏秒平衡定律决定了输出电压：
Vout = Vin × D其中 D 是占空比，范围 0~1。所以 Buck 只能降压，不能升压。
关键公式：Buck 输出电压只与输入电压和占空比有关，与负载电流无关（理想情况下）。
连续与断续导通模式
这里有个重要概念——电感电流是否一直大于零。
- CCM（连续导通模式）：电感电流始终大于零。开关周期内电流波形是连续的三角波。
- DCM（断续导通模式）：电感电流在开关关断后期降到零，并保持到下一个周期开始。电流波形是断续的。
为什么会进入 DCM？负载电流太小，或者电感值太小。我在做低功耗待机电路时就遇到过——轻载下 Buck 自动进入 DCM，效率反而更高了。
| 特性 | CCM | DCM |
|---|---|---|
| 电感电流 | 始终 > 0 | 有零电流区间 |
| 输出电压公式 | Vout = Vin × D | Vout = Vin × (2D / (D + √(D² + 8τ))) |
| 纹波 | 较小 | 较大 |
| 动态响应 | 较快 | 较慢 |
| 轻载效率 | 较低 | 较高 |
注意：CCM 和 DCM 的传递函数不同。如果你用数字控制，切换模式时一定要做补偿器切换，否则环路可能振荡。我曾经吃过这个亏。
Boost 升压拓扑
Boost 电路，也叫升压变换器。输入电压低，输出电压高。比如电池供电的设备，需要把 3.7V 升到 5V 或 12V。
工作原理
Boost 的元件和 Buck 一样，但连接方式不同：电感在输入端，开关管接地，二极管和输出电容串联。
- 开关导通阶段：Q 导通，电感 L 直接接在 Vin 两端充电。负载由输出电容供电。
- 开关关断阶段：Q 关断，L 的感应电压与 Vin 叠加，通过 D 给负载供电并给 C 充电。
输出电压公式：
Vout = Vin / (1 - D)D 越接近 1，输出电压越高。但实际中 D 不能太大，一般不超过 0.9，否则效率急剧下降。
经验值：Boost 的占空比建议控制在 0.85 以内。超过这个值，可以考虑两级升压或改用变压器隔离方案。
CCM 与 DCM 的区别
Boost 的 CCM/DCM 判定和 Buck 类似，但有个特点——DCM 下 Boost 的输出电压公式更复杂，而且输出纹波更大。
我记得有一次做 LED 驱动，Boost 工作在 DCM 下，输出纹波导致 LED 闪烁。后来把电感加大，强制进入 CCM，问题就解决了。
Buck-Boost 升降压拓扑
Buck-Boost 电路，既能升压也能降压。输入电压可能高于或低于输出电压时，就用它。
你想想看，汽车电子里电池电压 12V，但启动时可能掉到 8V，发电机工作时又升到 14V。要稳定输出 12V，Buck-Boost 就是天然选择。
工作原理
Buck-Boost 有两种常见结构：
- 反极性 Buck-Boost：输出电压与输入电压极性相反。元件连接是 Buck 和 Boost 的串联。
- 四开关 Buck-Boost：四个开关管组成 H 桥结构，输出电压与输入同极性。这是现代数字电源的主流方案。
反极性 Buck-Boost 的公式：
Vout = -Vin × D / (1 - D)当 D < 0.5 时，|Vout| < Vin（降压）；当 D > 0.5 时，|Vout| > Vin（升压）。
注意极性：反极性 Buck-Boost 的输出是负电压。如果你需要正电压输出，要用四开关结构。
CCM/DCM 边界
Buck-Boost 的 CCM/DCM 边界条件比 Buck 和 Boost 更复杂。简单说，电感电流的临界值取决于输入电压、输出电压和开关频率。
我建议初学者先掌握 Buck 的 CCM/DCM 分析，再扩展到 Boost 和 Buck-Boost。因为 Buck 的数学最简单，物理概念最直观。
三种拓扑对比
| 拓扑 | 电压关系 | 占空比范围 | 输出极性 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| Buck | Vout = Vin × D | 0 ~ 1 | 正 | CPU 供电、电池充电 |
| Boost | Vout = Vin / (1 - D) | 0 ~ 0.9 | 正 | LED 驱动、电池升压 |
| Buck-Boost | Vout = -Vin × D / (1 - D) | 0 ~ 1 | 负/正 | 汽车电子、电池供电 |
知识体系总览
下面这张图把三种拓扑的核心关系串起来了。你对照着看，会更容易理解。
实际设计中的选择建议
说了这么多理论，落到实际项目里怎么选？我总结几条经验：
- 输入输出压差小：用 Buck 或 Boost，效率最高。
- 输入可能高于或低于输出：用 Buck-Boost，别犹豫。
- 轻载效率优先：允许 DCM 工作，但要做好模式切换控制。
- 纹波要求高：强制 CCM，加大电感或提高开关频率。
- 成本敏感：Buck 最便宜，元件最少。
我的习惯：做数字电源控制时，我会先确定拓扑，再根据最大负载电流计算临界电感值，然后留 30% 余量。这样既能保证 CCM 工作，又不会让电感太大太贵。
好了，三种基本拓扑和 CCM/DCM 的概念就讲到这里。你把这些吃透了，后面讲控制环路、数字补偿器的时候，才能跟得上节奏。