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‌部件选择：深入解析Buck-Boost功率级的核心组件‌

在构建Buck-Boost功率级时，对各个关键部件的精心选择至关重要，以确保整个功率源能够稳定、高效地运行。以下是对功率级中主要部件的功能、性能需求及选择原则的详细探讨。

‌输出电容‌：

‌功能‌：

在开关功率源中，输出电容扮演着储存电能和维持输出电压稳定的关键角色。当功率级处于开关状态时，电容能够平滑输出电压，减少纹波，确保为负载提供稳定的电能。

‌性能需求‌：

电容值需足够大，以将输出电压的纹波限制在规格要求的范围内。

电容的串联阻抗（包括等效串联电阻ESR、等效串联电感ESL和电容C本身）应尽可能小，以减少对输出电压纹波的影响。

‌选择原则‌：

在连续电感器电流模式下，电容值的选择需综合考虑输出负载电流、开关频率和要求的输出纹波电压。

假定所有输出电压纹波均由电容器的电容产生，可通过相关方程计算所需电容值。

实际应用中，还需考虑电容的额定电压、温度系数、寿命等因素，以确保电容在恶劣环境下仍能稳定工作。

输出电容的功能：在开关功率源的功率级里，输出电容有储存能量的作用。从电场的角度看，当有电压加载到输出电容上时，它就会储存能量。定性地讲，输出电容就像是一个 “电压稳定器”，它的主要功能是尽量维持一个固定不变的电压。

输出电压纹波相关因素

纹波电压的限制因素：在 Buck - boost 功率级的设计中，我们需要选择合适的输出电容值。目的是将输出电压的纹波电压控制在规格要求的范围之内。输出电压纹波的大小是由电容的串联阻抗和功率级的输出电流共同决定的。

电容产生阻抗的元素：这里有三个关键元素会导致电容产生阻抗，进而影响输出电压纹波，它们分别是等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和电容（C）。

输出电容选择原则

连续电感器电流模式下的电容值确定：在连续电感器电流模式下工作时，要确定电容值，需要知道输出负载电流、开关频率和要求的输出纹波电压之间的函数关系。在假设所有的输出电压纹波都是由电容器的电容产生的情况下，可以使用特定的方程来计算。这是因为在功率级处于开态（ON）时，输出电容器要提供所有的输出负载电流。不过文档中没有给出这个方程，在实际应用中，可能会根据具体的电路理论和经验公式来确定。

在开关功率源的功率级中，由于加载电压输出电容在电场储存能量，所以定性的说，电容的功能就是试图保持一个固定不变的电压。

通常选取Buck-boost功率级的输出电容值使得把输出电压的纹波电压限制在规格要求的水平。电容的串联阻抗和功率级的输出电流决定了输出电压的纹波。导致电容产生阻抗(和输出电压纹波)的三个元素是等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)和电容(C)。下面给出了选择输出电容的原则。

对于连续电感器电流模式下的工作，为了确定电容值，需要知道它一个关于输出负载电流1、开关频率f、要求的输出纹波电压△V的函数，在假定所有的输出电压纹波都是由电容器的电容产生的情况，使用下面的方程。这是因为在功率级开态(ON)，输出电容器提供了所有的输出负载电流。

式中lomax是最大输出电流，DMAX是最大占空比。

对于非连续电感器电流模式下的工作，为了确定需要的电容值，在假定所有的输出电压纹波都是由电容器的电容产生的情况，使用下面的方程。

但是在很多实际的设计中，为了得到需要的等效串联电阻(ESR)，通常都要选择比我们计算出来的电容值大的电容器。

对于连续电感器电流模式工作，假定有足够的电容使得电容导致的纹波可以忽略不计，用来把限制纹波在(V peak-to-peak)而需要的ESR为:

对于非连续电感器电流模式工作，假定有足够的电容使得电容导致的纹波可以忽略不计，用来把限制纹波在ΔV(V peak-to-peak)而需要的ESR为:

纹波电流流过电容器的ESR，造成在电容器上的功率损耗，这个功率损耗会导致电容器内部的温度升高过高的温度会严重缩短电容器的预计寿命。电容器有取决于周围温度的额定纹波电流，而且不能超过。参考图3，输出电容器纹波电流等于电感器电流|,减去输出电流l。流过输出电容器的纹波电流均方根值(BMS)由下式给出(连续电感器电流模式:

等效串联电感(ESL)有在低频(兆赫兹)区产生阻尼振荡的问题，但是可以通过选择低ESL的电容器、限制引线长度(印刷电路板PCB和电容器)和并联更大的器件代替几个小器件等方法来控制这个问题。

制作电容器的三种技术:低阻抗铝、有机半导体和固态钽主要用于廉价的商业应用中。低阻抗铝电解电容器最便宜，可以在很小的体积提供很高的电容值，但是等效串联电阻(ESR)都比其它两种高。有机半导体电解电容器，像三洋(Sanyo)OS-CON系列，在最近几年功率源工业中非常流行，他们是世界上最好的电容器，在整个温度范围稳定的低ESR和小体积提供大电容，大部分OS-CON电容器都是采用引线安装的辐射形封装，也提供表面贴装器件，但是牺牲了很多体积和性能的优势。固态钽片电容器对于那种只能选用表面贴装器件的情况是最好的选择。像AVXTPS系列和Saraque 593D系列的产品就主要开发来用在功率源上的。这些产品有很多优点:在温度范围内相对稳定的ESR、高的纹波电流容限、低的ESL、浪涌电流测试和很高的电容体积比。

输出电感

在开关功率源的功率级中，电感器的功能是储存能量，电流流过时能量会以磁场的方式储存下来，所以定性的说，电感器的作用就是试图保持固定不变的电流值，或者等效的说是限制流过电感器电流的变化率。

选择Buck-boost功率级的输出电感器电感值主要是限制流过它的纹波电流的峰峰值。选择以后，功率级的工作模式，连续或非连续，就确定下来了。电感器纹波电流跟加载的电压和加载电压的时间成正比，跟中感值成反比，这些在前面已经详细解释了。

很多设计者喜欢自己设计电感器，但是这不是我们这篇报告的主题。下面我们讨论在选择合适电感器必须考虑的事项。

除了电感值，在选择电感器时需要考虑的其它重要因素有最大直流或峰值电流和最大工作频率。让电感器在它的额定直流电流内工作对确保电感器不出现过热或饱和很重要。电感器工作在低于最大额定频率可以保证不会超过最大内部损耗，从而避免出现过热或饱和。

磁器件制造商可以提供很多类型适用干直流-直流转换器的直接就可以买来用的电感器，其中有些是表面贴装器件。电感器有很多种类，最流行的内部材料是铁氧体和铁精粉。筒管状或杆状核心电感器很容易买到而且也很便宜，但是使用这些电感器的时候要非常小心，因为比起其它形状的电感器，它们更容易产生噪声问题。考虑到体积空间足够大的话，用户自己设计也是可行的。

由于电感器直流电阻，电流流过电感器时会有功率损耗，这个损耗可以很容易计算得。功率也会因为加载在电感器上的交流电压导致的流量振荡而损耗在电感器的内核上，不过这些信息很少会在制造商的数据说明书中直接给出。一般，电感器的最大工作频率和(或)加载的额定电压-秒曲线给了设计者关于内核损耗的指导。功率的损耗会导致电感器内部温度升高，过高的温度会降低线圈的绝缘性，导致更多的内核损耗。必须注意保证电感器所有的最大额定值都没有超过。

电感器的损耗由下式给出:

式中Rc为线圈电阻。

功率开关

在开关式功率源的功率级，功率开关的功能是控制从输入功率源到输出电压的能量流动。在buck-boost功率级，功率开关(图1中的01)当开关打开时连通输入到电感器，开关关上时断开连接。功率开关必须在开时在输出电感器传导电流，关时阻止输入电压和输出电压的差值。而且功率开关必须很快的完成一个状态到另一个状态的转换，从而避免在开关转换时间内的功率损耗。

这篇报告中考虑的功率开关类型是功率型金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。其它的功率器件也可以用，但是在大多数情况下，在考虑到费用和性能时(考虑驱动电路时)，MOSFET是最好的选择。可以使用的MOSFET有两种类型:n通道型和p通道型。P通道型MOSFET在buck-boost功率级中的使用更流行，因为驱动p通道的门比驱动n通道MOSFET中的门要简单。

功率开关Q1消耗的功率由下式给出:

其中:

t.和t是MOSFET的打开和关闭的转换时间。

Qcat.是MOSFET总的门电荷。

除了选择p通道或n通道以外，在选择合适的MOSFET时需要考虑的其它参数是漏极-源极间击穿电压的最大值Venpss，和最大漏极电流lpma。

MOSFET选取时，Vnpss的额定值要大于输入电压和输出电压的最大差值，而且要为瞬变量和尖峰信号预留一点的余量。选择MOSFET时还要求额定IDm至少是功率级电感器最大电流的两倍。然而有很多时候这还不是足够的余量，还要考虑到MOSFET结的温度，保证没有超过范围。结温度由下式估算:

式中:

TA是周围空气或热沉的温度:R。JA是MOSFET片到周围空气或热沉的热阻抗。

输出二极管

输出二极管在功率开关关闭时导通，为电感器电流提供通路。在选择整流器时要考虑的主要要素为:快速开关、击穿电压、额定电流、为降低功率损耗的低正向电压下降和合适的封装。除非应用场合确实需要用到高费用和复杂的同步整流器，肖特基整流器通常是低压输出的最好解决方案。

击穿电压必须大于输入电压和输出电压的最大差值，而且必须为瞬时值和尖峰预留一定的余量。额定电流要至少是功率级最大电流的两倍。通常额定电流要远大于输出电流，因为功率和结温度的限制决定了器件的选择。

二极管上的损耗主要由导通态二极管上的电压降造成的，二极管上的功率损耗可以由前向电压和输出负载电流的乘积来计算得。从导通态转化为非导通态时的转换损耗相比于传导损耗来说，非常小，通常忽略。

整流器上的功率损耗为:

式中V为整流器的前向电压降。

结温度估算公式为:

总结：

深入解析了Buck-Boost功率级的核心组件选择，包括输出电容、输出电感、功率开关和输出二极管。输出电容需具备足够大的电容值和小的串联阻抗，以维持输出电压稳定并减少纹波。在选择时，需综合考虑输出负载电流、开关频率和要求的输出纹波电压。输出电感则用于储存能量，限制流过它的纹波电流的峰峰值，选择时需考虑最大直流或峰值电流和最大工作频率。功率开关控制能量流动，需快速转换状态以避免功率损耗，MOSFET是常用选择。输出二极管在功率开关关闭时导通，为电感器电流提供通路，需考虑快速开关、击穿电压、额定电流和低正向电压下降等因素。正确选择这些组件对于确保Buck-Boost功率级的稳定、高效运行至关重要。