2.3　降压/升压式变换器的工作原理

降压/升压式DC/DC变换器，简称降压/升压式变换器，英文为Buck-BoostConverter，也称Buck-Boost变换器，也是基本的DC/DC变换器之一。由于这种变换器的输出电压与输入电压极性相反，因此也叫极性反转式变换器。例如将1.5V或12V电压变换成-12V或-5V电压。降压/升压式变换器的损耗较小，效率较高，并具有极性变换和降压/升压的作用，主要应用于需要电源极性变换及由电池供电的便携式电子设备中。

2.3.1　降压/升压式DC/DC变换器的拓扑结构

降压/升压式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-3-1所示。图中U_I为直流输入电压，VT为功率开关管，VD为续流二极管，L为储能电感，C为输出滤波电容，U_O为直流输出电压，R_L为外部负载电阻。脉宽调制器（PWM）用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。

图2-3-1　降压/升压式DC/DC变换器的拓扑结构

2.3.2　降压/升压式DC/DC变换器的工作原理

降压/升压式DC/DC变换器的功率开关管VT在脉宽调制（PWM）信号的控制下，交替地导通与关断（也称截止），相当于一个机械开关高速地闭合与断开，其工作原理如图2-3-2所示。图2-3-2给出了VT导通和关断时的电流路径，为了便于电路分析，图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。

当VT导通（即S闭合）时，如图2-3-2（a）所示，输入电压U_I直接加到储能电感L的两端，续流二极管VD截止。因为L上施加了U_I的电压，使其电流I_L线性地增加，电感储存的能量也在增加，电感的感应电动势为上“+”下“-”。在此期间，输入电流（即电感电流I_L）提供的能量以磁场能量的形式存储在储能电感L中。同时滤波电容C放电为负载R_L提供电流I_O，电容C的放电电流I₁与负载电流I_O相等。

图2-3-2　降压/升压式DC/DC变换器的工作原理

当VT关断（即S断开）时，如图2-3-2（b）所示，由于电感电流不能发生突变，因此在L上就产生上“-”下“+”的感应电压，以维持通过电感的电流I_L不变。此时续流二极管VD导通，储存在L中的磁场能量转化为电能，对输出滤波电容C进行充电，并向负载R_L提供电流。电感电流I_L为电容充电电流I₂和负载电流I_O的总和。

降压/升压式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-3-3所示。PWM表示脉宽调制波形，t_ON为功率开关管VT的导通时间，t_OFF为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期。U_E为功率开关管VT的发射极电压波形。I_C为VT的集电极电流波形。I_F为续流二极管VD的电流波形，I_L为电感电流波形。可以看出，功率开关管VT导通时，其发射极电压U_E等于输入电压U_I；在VT关断时，其发射极电压U_E等于输出电压U_O（U_O为负电压）。在功率开关管VT导通期间，电感电流线性增加；在VT关断期间，电感电流线性减小。电感电流I_L是由VT的集电极电流I_C和续流二极管VD的电流I_F叠加形成的。

图2-3-3　降压/升压式DC/DC变换器的电压及电流波形

降压/升压式DC/DC变换器具有以下特点。

① 输出电压U_O可以小于U_I也可以大于U_I，故称之为降压/升压式变换器。U_O与U_I的关系为U_O=-DU_I/（1-D），通过控制占空比D的大小就能改变输出电压。

② 输出电压U_O与输入电压U_I的极性相反，因此也称其为极性反转式变换器。

③ 功率开关管VT承受的最大电压U_CE=U_I-U_O。因U_O为负电压，实际上U_CE为U_I与U_O的绝对值之和。

④ 功率开关管VT集电极的最大电流I_C=I_O/（1-D）。

⑤ 续流二极管VD的平均电流I_F=I_O。

⑥ 续流二极管VD承受的反向电压U_R=U_I-U_O。因U_O为负电压，实际上U_R为U_I与U_O的绝对值之和。

降压/升压式DC/DC变换器的集成电路产品有MAX764、MAX776和TPS6755等。