Buck、Boost、Buck-Boost 电路原理

Buck、Boost、Buck-Boost 电路原理

这三种电路均属于直流 - 直流（DC-DC）变换电路，核心功能是将一种直流电压转换为另一种固定或可调的直流电压，广泛应用于电源适配器、新能源汽车、光伏系统、电子设备供电等场景。它们的核心区别在于电压转换方向（升压 / 降压 / 双向）和拓扑结构，且均基于 “电感储能、电容滤波” 的原理，通过开关管（如 MOSFET）的高频通断实现能量传递。

一、基础共性：DC-DC 变换的核心逻辑

三种电路的本质的是通过控制开关管的导通 / 关断时间（占空比），调节电感的储能与释能比例，最终输出目标电压。核心元件及作用如下： 开关管（S）：核心控制元件，按固定频率通断（通常 kHz~MHz 级），由 PWM（脉冲宽度调制）信号控制； 电感（L）：能量存储与传递核心，导通时储能，关断时释能，抑制电流突变； 二极管（D）：续流 / 单向导通元件，防止电流反向流动，保证能量单向传递； 电容（C）：滤波元件，平滑输出电压的纹波，使输出接近纯直流； 负载（R）：电路供电对象（如芯片、电机等）。 关键参数：占空比（D） = 开关管导通时间（Ton） / 开关周期（T = Ton + Toff），取值范围 0 < D < 1，是电压转换的核心控制变量。

二、Buck 电路：降压变换器（Step-Down Converter）

1. 核心功能 将输入直流电压（Vin）降低为更低的输出直流电压（Vout），且 Vout < Vin（理想状态下）。例如：12V 电池电压转换为 5V 给 USB 设备供电、24V 工业电源转换为 3.3V 给单片机供电。
2. 拓扑结构

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二极管 D 为续流二极管，开关管 S 导通时反向截止，关断时正向导通； 电容 C 并联在负载两端，滤除输出电压纹波。 3. 工作原理（理想状态，忽略元件损耗，将晶体管与二极管当初理想开关） 工作过程分为 “开关导通” 和 “开关关断” 两个阶段，循环周期 T 极短（高频），输出电压由占空比 D 决定。

阶段 1：

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开关管 S1 导通（时间 Ton） 电源 Vin 通过 S 给电感 L 供电，电感电流 IL 线性增大，电感储存磁场能量（IL ↑）； 开关管 S2 断开； 电感 L 和电容 C 共同给负载 R 供电，电容 C 充电，输出电压 Vout 接近 Vin。 阶段 2：

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开关管 S1关断（时间 Toff） 开关断开，电源停止给电感供电； 电感为维持电流（阻碍电流突变），产生反向感应电动势（上负下正），二极管 D 正向导通，形成 “电感 L → 开关管 S2 → 负载 R → 电容 C” 的续流回路； 电感释放储存的能量，给负载供电并给电容 C 充电（补充能量），输出电压 Vout 保持稳定。 4. 关键公式（理想状态） 输出电压：Vout = D × Vin（D 为占空比，0 < D < 1） 例：Vin=12V，D=0.5（导通时间占比 50%），则 Vout=6V；D=0.3，Vout=3.6V。 电感电流纹波（ΔIL）：ΔIL = (Vin - Vout) × Ton / L = D × (1 - D) × Vin × T / L（在实际计算L中一般取ΔIL为平均电流的一半） 电感 L 越大、开关周期 T 越短，电流纹波越小。 输出电压纹波（ΔVout）：ΔVout = ΔIL / (8 × f × C2)（f=1/T 为开关频率） 电容 C 越大、开关频率 f 越高，电压纹波越小。（如果求C1的值可以用boost求C2的方法） 5. 特点与应用 优点：结构简单、效率高（理想状态接近 100%，实际 80%~95%）、纹波小、成本低； 缺点：只能降压，输入电压需高于输出电压； 典型应用：手机充电器（220VAC→12VDC→5VDC，后级用 Buck）、电脑主板供电（12VDC→3.3V/1.8V）、LED 驱动（12V→3V）。

三、Boost 电路：升压变换器（Step-Up Converter）

1. 核心功能 将输入直流电压（Vin）升高为更高的输出直流电压（Vout），且 Vout > Vin（理想状态下）。例如：3.7V 锂电池升压为 5V 给 USB 设备供电、12V 汽车电源升压为 24V 给音响供电、光伏板低压输出升压为并网电压。
2. 拓扑结构

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开关管 S 串联在电感与地之间，二极管 D 为隔离二极管，防止电容电压反向放电； 电容 C 用于存储能量，平滑输出电压。 3. 工作原理（理想状态，忽略元件损耗，将晶体管与二极管当初理想开关） 同样分为 “开关导通” 和 “开关关断” 两个阶段，核心是利用电感的 “储能 - 释能” 特性提升电压。 阶段 1：

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开关管 S2 导通（时间 Ton） 开关闭合，电感 L 直接接在电源 Vin 两端，电源给电感充电，电感电流 IL 线性增大（IL ↑），储存磁场能量； 开关管 S1断开，负载 R 由电容 C 供电，电容缓慢放电； 此阶段电感两端电压约为 Vin，电流快速上升。 阶段 2：

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开关管 S2关断（时间 Toff） 开关断开，电感电流无法突变，产生反向感应电动势（上正下负），与电源 Vin 串联叠加（总电压 = Vin + 感应电动势）； 叠加后的高电压通过开关管 S1，给电容 C 充电并给负载 R 供电； 电感释放能量，电容储存高电压，输出 Vout 维持在高于 Vin 的稳定值。 4. 关键公式（理想状态） 输出电压：Vout = Vin / (1 - D)（D 为占空比，0 < D < 1） 例：Vin=3.7V，D=0.3（导通时间 30%），则 Vout=3.7/(1-0.3)≈5.29V；D=0.5，Vout=7.4V。 注意：D 越接近 1（导通时间越长），Vout 越高，但实际中 D 不能趋近于 1（否则开关关断时间过短，能量无法充分释放，导致电感饱和）。 电感电流纹波（ΔIL）：ΔIL = Vin × Ton / L = Vin × D × T / L 输出电压纹波（ΔVout）：ΔVout = (1 - D)² × Vin / (8 × f² × L × C2) （如果求C1的值可以用buck求C2的方法） 5. 特点与应用 优点：结构简单、可实现升压，效率较高（实际 80%~90%）； 缺点：输入电流连续但输出电流纹波大，开关关断时电压应力高（易损坏开关管），空载时输出电压可能过高； 典型应用：移动电源（3.7V 锂电→5V 输出）、电动车升压电路（48V→380V 电机驱动）、光伏逆变器前级（低压光伏板→高压直流）。

四、Buck-Boost 电路：升降压变换器（Step-Up/Down Converter）

1. 核心功能 可实现输入电压高于或低于输出电压（Vout 可大于、小于或等于 Vin），电压转换双向灵活。例如：12V/24V 电池系统切换供电、车载设备（9V~16V 输入→5V/12V 输出）、便携式仪器电源。
2. 拓扑结构

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本质是 “Buck 电路与 Boost 电路的结合”，电感 L 串联在输入与开关管之间，二极管 D 和电容 C 构成输出回路； 晶体管 Q1导通时，电感储能；关断时，电感释能并通过二极管给负载和电容供电。 3. 工作原理（理想状态，忽略元件损耗，将晶体管与二极管当初理想开关） 阶段 1：

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开关管 S1导通（时间 Ton） 电源 Vin 通过电感 L 给开关管 S 供电，电感电流 IL 线性增大（IL ↑），储存磁场能量； 开关管 S2断开，负载 R 由电容 C 供电，电容放电。 阶段 2：

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开关管 S1关断（时间 Toff） 开关管 S2导通； 电感释放的能量与电源能量叠加（若需升压）或单独释放（若需降压），通过二极管给电容 C 充电和负载 R 供电，输出 Vout 稳定。 4. 关键公式（理想状态） 输出电压：Vout = D × Vin / (1 - D)（D 为占空比，0 < D < 1） 当 D <0.5 时：Vout < Vin（降压模式），例：Vin=12V，D=0.3，Vout=12×0.3/(0.7)≈5.14V； 当 D = 0.5 时：Vout = Vin（等压模式），例：Vin=12V，Vout=12V； 当 D > 0.5 时：Vout > Vin（升压模式），例：Vin=12V，D=0.7，Vout=12×0.7/(0.3)=28V。 电感电流纹波（ΔIL）：ΔIL = Vin × Ton / L = Vin × D × T / L 输出电压纹波（ΔVout）：ΔVout = D × Vin / (8 × f² × L × C2 × (1 - D)) 5. 特点与应用 优点：升降压灵活，适用宽输入电压范围，结构紧凑； 缺点：输入电流和输出电流纹波均较大，开关管电压应力高（Vds=Vin+Vout），效率略低于 Buck/Boost（实际 75%~90%）； 典型应用：宽输入电源（如 9V~36V 输入→12V 输出）、电池充放电管理（如 12V 电池→24V 供电或 24V→12V 充电）、便携式设备（5V USB→3.3V/9V 输出）。

五、三种电路核心对比表

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六、总结

1 选型逻辑：需降压选 Buck，需升压选 Boost，需宽范围升降压选 Buck-Boost； 2 核心控制：三者均通过调节占空比（PWM）控制输出电压，高频开关可减小电感、电容体积； 3 实际考量：需考虑效率、纹波、元件电压 / 电流应力，通常 Buck 电路因结构简单、效率高，应用最广泛； 4 拓展拓扑：实际应用中多采用 “同步整流”（用 MOSFET 替代二极管）进一步提升效率，或组合拓扑（如 LLC 谐振变换器）优化高压 / 大电流场景性能。