为什么Buck-Boost芯片没有输出负压？

硬件笔记本

今天分享一篇和Buck-Boost拓扑相关的问题，也是在最开始接触Buck-Boost芯片时，就在内心产生了疑问。
# n: w( K* V) g: l2 `在开始学习DC-DC拓扑时，很多资料都说，非隔离型的DC-DC拓扑常见的有3种，分别是Buck，Boost，Buck-Boost，且Buck-Boost输出是负压。
. N# @$ W, S. E" G9 j7 w5 i的确，在工作中，这三种非隔离DC-DC在单板设计上面确实使用比较多，特别是降压的DC-DC。一个单板上可能有上十个都不止，而Boost和Buck-Boost相对还好，用量没有降压大。
下面是MPS官网的开关变换器和控制器的分类，从类型上也可以看出，Buck转换器最多，Boost次之，但均明显比Buck-Boost多。
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不知道大家在项目上使用Buck-Boost芯片时，有没有这样的疑问：选用的明明是升降压变换器，也在单板上正常使用了，但是输出并不是负压！
应该很多人都有过这样的设计：输入电压是2.5~5V，输出3.3V，DC-DC芯片选用的就是Buck-Boost芯片，输出也的确是正的3.3V，并不是基础拓扑说的负压！
$ D, m1 H# W. q' b" \上述的问题和现象，到底是什么原因导致的呢？这种疑问，在我第一次用Buck-Boost芯片就产生了，但是并未做进一步的学习。这可能就是所谓的“学而不思则罔”吧，能用就行，原理嘛，并为深究。但不可行。
/ E  A4 n/ B9 {, v4 E  n) o. |首先，我们来看下标准的Buck-Boost变换器的拓扑。

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0 t8 x+ @6 c* A9 d; ?+ r- J8 S. F+ H当Q1开关管导通时，输入电压对电感进行充电，此时二极管D1截止；当Q1开关管闭合时，电感阻止电流的降低，感应出的电流对负载充电，此时二极管D1导通，则负载下端电压高，上端电压低，如果将下端作为GND，输出即为负压。
/ q1 J- d5 `2 l按照Buck-Boost的工作原理，输出确实应该就是负压，但实际上各大厂商提供的Buck-Boost芯片很少是输出负压的。比如MPS的MP28160芯片，从芯片外部来看，就一个电感。从芯片的描述来看，明明就是Buck-Boost芯片，但是输出却是正电压。

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# b0 g+ p  C# i% _要解决上面的疑问，还要深入到芯片内部来看。下面是MP28160的内部框图，竟然有四个MOS管。这和最开始介绍的Buck-Boost拓扑并不一样！没有二极管，而且多了三个MOS管。

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( b/ p3 {! J4 s' w# l+ F现在，我们来推导一下，从负压的Buck-Boost怎么得到正压的四管的Buck-Boost。
$ i& A# ?: m, z7 s1 _第一步：目标是输入2.5V~5V，输出3.3V，可以先升压再降压；
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如上图所示，将两个拓扑串联起来，完全可以实现目标需求，而且是正压输出。但是这里有两个电感，而且需要两个控制器，一个降压，一个升压，同时这里还有两个二极管，损耗比较高，效率低，且成本高。
第二步：为了解决上述问题，将二极管换成MOS管
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: A# f- F2 N: {, z7 c只要合理控制上述4个MOS管的开通和关断时序，完全可以实现升压，降压功能，且输出正压。但是这里还是有个问题没解决——存在两个电感！
第三步：为了解决两个电感的问题，改用降压和升压串联
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/ y0 e$ s" t: d+ i, N- O这种方案相比升压和降压串联，只有一个电感，输出正压，更接近目标的需求。但是因为存在两个二极管，还是会存在效率低，无法用在大功率的场合。因此，还需要进一步优化。
# i# @- E5 r+ j4 H- B第四步：将二极管更换为MOS管

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经过上述4步的变换，既可以实现了目标需求，同时还和刚刚看到的MP28160芯片内部的拓扑框图一致，这说明，使用降压和升压拓扑串联，其实是可以实现升降压的。
所以，大家在单板上使用的Buck-Boost芯片，更为准确的说应该是四管单电感升降压变换器。与最初大家所熟知的，带有二极管的负极性的Buck-Boost拓扑并不是描述的同一个电路拓扑。
. D) O6 S/ ?. }' O3 X$ [8 p9 z对于上述4个MOS管的拓扑，是如何实现所需要的电压？
在MP28160数据手册上找到相关的描述，MOS管的开通的关断会自动根据输入和输出电压的关系，进行MOS时序控制。
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# M' U7 N# K# V7 s/ F当输入电压高于输出电压时，工作在Buck模式。时序如下，这种模式下要求Q3一直需要导通。
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当输出电压高于输入电压时，工作在Boost模式时。时序如下，这种模式下要求Q1一直需要导通。
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  Q4 Z; i' M" V8 V  |2 b2 g当输入电压和输出电压接近时，工作在Buck-Boost模式，这种模式存在两种方式：
（1）当输入电压高于输出电压时，此时有Buck充电和Boost充电两种方式，而只有Buck放电一种方式；
Buck充电方式，MOS管工作时序
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Boost充电方式，MOS管工作时序
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$ g: a4 @4 q' P0 sBuck放电方式，MOS管工作时序

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（2）当输出电压高于输入电压时，此时只有Boost充电一种方式，而有Buck放电和Boost放电两种方式；
Boost充电方式，MOS管工作时序

1 b' G/ ]. T) RBoost放电方式，MOS管工作时序
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Buck放电方式，MOS管工作时序

- ?$ ?  A$ H  t% P3 M; H) R. V从上面的分析可以看出，四管升降压的拓扑相比带有二极管的负压Buck-Boost而言，工作模式多样，控制方式也比较复杂，在PCB布局设计时要求也更高，因为出现了更多SW节点和功率回路。
3 E% T9 u: Y; D. b总结一下：
基础的Buck-Boost拓扑，输出的确是负压。但是在实际工作应用中，需要Buck-Boost拓扑，且输出负压的并不多。目前被广泛使用的，只有一个电感的升降压电路，准确的来说，并不是我们常说的Buck-Boost基础拓扑。只不过是四管单电感的这种拓扑恰好实现了升降压的功能，而且还仅仅就一个电。因此，这种升降压电路更为准确的说法应该是：四管单电感升降压型Buck-Boost拓扑。
四管的工作时序和模式和输入和输出电压有较强的关联系，当输入大于输出时，Buck多，Boost少；当输出大于输入时，Buck少Boost多。
, Y4 y/ F5 u5 R. F. t" H# m回到开头的疑问，基础的、三种非隔离的DC -DC拓扑之一的Buck-Boost，输出是负压。但是，目前使用较多的，输出是正压的，应该是四管单电感升降压型拓扑，很明显它属于Buck-Boost，但作为硬件开发人员，需要做好区分，而不能混为一体。