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DC-DC电源电路原理分析(BUCK、BOOST、BUCK-BOOST)

出处：网络整理时间：2026-06-12

　　DC - DC 电源，即直流 - 直流变换器，它能够将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也被称为直流斩波器。DC - DC 拥有多种拓扑结构，其中 BUCK（降压）、BOOST（升压）、BUCK - BOOST（升降压）是三大基本拓扑结构。
　　斩波器的工作方式主要有两种。一是 PWM 波 “定频调宽”，也就是脉宽调制方式，在这种方式下 Ts（开关周期）保持不变，通过改变脉冲宽度来控制电路；二是 PFM 波 “定宽调频”，即频率调制方式，脉冲宽度不变，改变 Ts，但这种方式易产生干扰。通常采用 PWM 波来控制电路开关管的导通与关断，PWM 波既可以由单片机产生，也能使用 PWM 波专用芯片，例如 UC3842。
　　DC - DC 的工作模式主要分为 CCM（电感电流连续工作模式）、DCM（电感电流不连续工作模式）和 BCM（电感电流连续工作模式，周期结束时电感电流刚好降为 0）。判断电感电流是否连续，可以看每个周期的电感电流是否从 0 开始。
　　伏秒积平衡原理是开关电源中的重要原理。伏秒积指的是电感两端的电压 V 和这段时间 T 的乘积。在稳态工作的开关电源中，电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。在开关电源稳定的状态下，电感的充放电处于稳定状态，开关管导通期间流入电感的电流等于开关管关闭期间流过电感的电流。由电感的电压公式进一步推导，即可得出伏秒平衡。
　　电容和电感具有不同的特性。电容能够阻碍电压变化，通高频、阻低频，通交流、阻直流；电感则阻碍电流变化，通低频、阻高频，通直流、阻交流。
　　BUCK 电路
　　Buck 变换器，也称作降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。这里的单管指的是续流二极管，其作用是续流，在 BUCK 电路中，二极管 D 形成了续流回路，所以 D 也被叫做续流二极管。不隔离意味着输入输出在同一个闭环电路中，没有变压器元器件将它们隔离开。下面是基本的 BUCK 电路示意图：

　　晶体管 Q1 在电路中起开关的作用，能够导通和关断电流，常见的开关管有三极管、MOSFET 等。不过，这个开关管受电路输出的驱动脉冲控制，不能用一个单刀双掷开关来替代。PWM（Pulse、width、modulation 脉宽调制）信号，信号周期为 Ts，则信号频率为 f = 1/Ts，导通时间为 Ton，关断时间为 Toff，周期 Ts = Ton + Toff，占空比 D = Ton/Ts。电容 C1 作为滤波电容，可有效降低输出电压 Uo 的脉动。
　　当 Q 导通时，二极管截止，此时电流经过电感，然后流向负载 R1。电感中的电流在线性增长的同时会发生自感，自感又会阻碍电流的上升，电感将电能转换为磁能储存起来，此时自感电势的方向左正右负。

　　当开关管断开时，没有电流流向电感，但电感电流不会突变为 0，而是慢慢减少。由于电感阻碍电流变化，会产生左负右正的自感电势，使得二极管 D1 导通。电流在减少的同时，L 中之前存储的磁能就转化为电能释放出来给负载 R。这里的电容是滤波电容，目的是降低输出电压 Uo 的脉动。
　

　　在 CCM 工作模式（电感电流连续工作模式）下，电感足够大。导通期间，电感电压为 [具体电压公式]，电感的电流会从值上升到值，电流增量为 [具体增量公式]。当开关管断开时，电感的电压为 - Uo，电感电流从值下降到值，电流减少量为 [具体减少量公式]。如果 BUCK 电路是稳定的，开关管导通期间流入电感的电流等于开关管关闭期间流过电感的电流，整理后得到输出电压是输入电压再乘以占空比，即开关管打开的时间 Ton / 周期 Ts。由于 Ton≠Ts，所以输出电压一定小于输入电压，这就是 BUCK 电路的原理，而且输出电压的大小可以通过改变 PWM 波的占空比来控制。
　　在 DCM 的工作模式下，也有 [相关公式]。此模式下电感比较小，负载比较大，周期 Ts 比较长，电感电流已经降为 0 了，但新的周期还没开始，所以每个新的周期电感电流都是从 0 开始线性增加的。这种模式下，电感的电流有线性增加、线性减少、闲置（电流为 0）三种状态。DCM 工作模式会使电路带载能力降低，稳压精度变差，纹波电压大，所以通常要求 BUCK 电路在 CCM 工作模式下工作。当然，还存在一种临界条件，即当一个周期刚好结束时，电感的电流也刚好减小为 0，这种模式称为 BCM。
　　从另一个角度解释，在开关电源稳定的状态下，开关管导通期间流入电感的电流等于开关管关闭期间流过电感的电流，且满足伏秒平衡原理：(Ui - Uo) TD = Uo (Ts - TD)。

　　BOOST 电路
　　Boost 变换器也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。开关管 Q 采用 PWM 控制方式，但占空比 D 必须小于 1，不允许在 D = 1 的状态下工作。电感 L1 在输入侧，称为升压电感。Boost 变换器有 CCM 和 DCM 两种工作方式。下面是简单的 BOOST 升压电路示意图：
　

　　若很长时间没有对开关管进行控制，所有元器件处于理想状态，此时 Uo = Ui。当开关管导通时，电感中的电流成线性增加，电感自感阻碍电流上升，电感将电能转为磁能存储起来。二极管的作用是防止电容对地放电。

　　当开关管关闭时，电感的电流开始慢慢减少。由于自感的作用阻碍电流的减小，电感两端是左负右正，所以输出端的电压就成了 Uo = Ui + UL，输出电压大于输入电压。

　　对于电感有 Uon = Ui，Uoff = Uo - Ui，由伏秒平衡原理得 Ui * TD = (Uo - Ui) * (Ts - TD)，化简后可以得到 [具体公式]，可以通过改变 PWM 占空比来控制输出电压的大小。
　　BUCK - BOOST 电路
　　Buck/Boost 变换器，也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost 变换器可看做是 Buck 变换器和 Boost 变换器串联而成，合并了开关管。下面是 buck/boost converter 简单的电路
　　当开关管导通时，输入电流从流过电感直接到地，右端输出主要由电容放电来维持。Uon = Ui - Uq，通常情况下忽略 Uq 的压降，即 Uon = Ui。

　　当开关管关闭时，电感电流从地流向负载 R 和电容 C，在流经二极管后回到电感。其过程就是 L 释放能量和电容充电的过程。所以 Uoff = Uo - Ud，二极管的压降一般也忽略不计，即 Uoff = Uo。

　　由伏秒平衡原理得 Ui * TD = Uo * (Ts - TD)，化简后可以得到 [具体公式]。控制开关管的 PWM 波的占空比对于控制输出电压是降压还是升压起着关键作用。如果占空比大于 1/2，电路实现升压；反之则实现降压。
　　小结
　　Buck 电路 —— 降压斩波器，其输出平均电压 U0 小于输入电压 Ui，极性相同。BUCK 型 DC - DC 只能降压，降压公式：Vo = Vi * D。
　　Boost 电路 —— 升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于输入电压 Ui，极性相同。BOOST 型 DC - DC 只能升压，升压公式：Vo = Vi / (1 - D)。
　　Buck－Boost 电路 —— 降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui，极性相反，通过电感传输。BUCK - BOOST 型 DC - DC，既可升压也可降压，公式：Vo = (-Vi) * D /（1 - D）。
　　Cuk 电路 —— 降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui，极性相反，通过电容传输。
　　开关管：一般使用功率三极管或功率 MOS 管，由 PWM 波信号来控制开关管通断。
　　电感：具有储能作用，电感在储能和释能转换时，电感的正负极会发生反向。流经电感的电流不能突变，只能逐步变大或变小。
　　二极管：起到限流作用。
　　电容：主要用于滤波。
　　电阻：作为负载。
　　DC - DC 的 PCB 设计布局布线注意事项
　　DC - DC 的功率管脚应大面积铺铜皮，以减少电源的温升。要根据载流原则处理好输入输出主回路，注意铺铜的通流能力和过孔的数量。反馈线不能绕着电感 L 走，开关电源芯片及其电感下面尽量不要布其他信号线。二极管续流回路应尽可能短，DC - DC 芯片的散热焊盘上需打矩阵过孔作进一步散热处理。布局要紧凑，输入输出主干道采用 “一” 字型或 “L” 型布局方式。关键滤波电容的放置要合理，采用先大后小的布局原则。输出供电电源应从输出电容取电。对于多路输出的开关电源，尽量使相邻的电感垂直分布（根据麦克斯韦定律，磁场相互垂直可抵消干扰）。
　　DC - DC 与 LDO 的优缺点及选型
　　开关性稳压电源的效率很高，一般可达到 80％以上，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。
　

　　DC - DC 的优点是效率高，输入电压范围较宽，驱动力较强；缺点是负载响应比 LDO 差，输出纹波比 LDO 大。LDO 的优点是负载响应快，稳定性好，输出纹波小；缺点是效率低，输入输出的电压差不能太大，驱动能力较小，负载不能太大。在实际使用中，应综合考量上述优缺点来进行器件选型。
　　同等条件下 DC - DC 和 LDO 谁的体积更大及原因
　　同等条件下，LDO 的体积更大。由于 LDO 的转换率更低，耗散功率更大，所以发热量更大。因此在设计时需要考虑散热问题，其体积在其他条件相同时会相对 DC - DC 要大一些。

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