【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第37课时_其他斩波电路

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《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。

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本节文字课程相关视频：
1. 升降压斩波电路
2. Cuk、Sepic、Zeta斩波电路

1升降压斩波电路
学完了降压电路和升压电路，就该轮到升降压电路了。每一个有志青年都会有这样的想法，Buck 电路和 Boost 电路前后级联不就是既能降压又能升压的电路了吗？确实升降压电路也称为 Buck-Boost 电路，但煞有其事的推导如何将 Buck 和 Boost 级联电路化简为升降压电路就属于“误人子弟”了。升降压电路其实是由 Boost 电路单独演化而来，和 Buck 电路并无关系。
在分析 Boost 电路原理时，用到了如图1所示的高压产生电路与峰值保持电路。
1) 开关SW1断开时，U_L的电压方向是帮助V₁维持电流，所以与V₁方向相同。也就是从AB两点引出电压肯定是升压的（比V₁高）。将AB分别与EF对接，就顺理成章的构成了 Boost 升压电路。

图1 高压产生电路与峰值电压保持电路

2) 如果我们不从AB将电压取出，而是直接提取电感上电压，就不一定是升压电路了。如图2所示，将峰值电压采样电路竖着放置，拟将CE相连、AF相连。

图2 升降压电路雏形一

3) 进一步分析发现，当SW1断开后，电感电流方向是从C至A。如图2那样连接，D₁二极管会挡住电感对C₁充电。所以，峰值电压保持电路的方向应镜像一下，如图3所示。

图3 升降压电路雏形二

4) 将图3所示电路FC相连、AE相连，并“放倒”，就得到图4所示电路。

图4 升降压电路雏形三

5) 为了使输入输出电压能够“共地”，对图4做一些调整，将SW1和D₁都挪到上面。对于开关SW1来说，是控制电源的阴极还是阳极是没有分别的。而D₁二极管挪到上面则要相应调换方向。

图5 升降压电路雏形四

对输入输出电压和地进行标注以后，最终得到了图6所示的 Buck-Boost 升降压电路。这个电路是否真的能升降压还不知道，根据图6所示的正方向可以列出电感上电压表达式，通过对电感电压的计算可求出输入输出电压的关系。

图6 Buck-Boost 升降压电路

1) 开关闭合时，Buck-Boost 电路等效电路如图7所示，电感电压表达式为：
（1）

图7 开关闭合时 Buck-Boost 电路的等效电路

2) 开关断开时，Buck-Boost 电路等效电路如图8所示，电感电压表达式为：
（2）

图8 开关闭合时 Buck-Boost 电路的等效电路

3) 根据稳态电流连续时，电感两端电压平均值为零可得式3，输出电压由开关通断时间比决定，可升压可降压，而且是负压输出。


（3）

刚才我们从理论计算上验证了 Buck-Boos t电路的特性，定性讲道理也可以加以说明。
1) Boost 电路的输出电压公式进行变换可得式4，由两部分组成：U_I以及U_L。升降压电路取自U_L，所以 Buck-Boost 电路U_O表达式就应该是式4的形式。
（4）
2) 对图8电路分析，开关断开以后，电感L电流应为自上而下，对应就是给滤波电容充下正上负的电压，所以输出电压U_O为负压就不足为奇了。
Buck-Boost 升降压电路取材自 Boost 电路，所以它也不能工作在空载情况。有关电感量、开关频率、滤波电容、负载轻重的讨论读者可仿照 Buck 和 Boost 电路，自行利用 TINA 仿真进行研究。

2 Cuk斩波电路
在电源电路设计中，输入电流和输出电流是否连续是判断电路优劣的一个指标。如果输入电流连续，意味着U_I端功率因数较高，对上级电源的谐波干扰小；而输出电流连续，意味着U_O端的输出纹波小，电压稳定。
1) Buck 电路的输出电流连续，但输入电流不连续。负载端直接与电感串联，电感电流没有其他支路，则意味着输出电流连续。
2) Boost 电路的输入电流连续，但输出电流不连续。UI端直接与电感串联，电感电流没有其他支路，则意味着输入电流连续。
3) Buck-Boost 电路的输入输出电流均不连续。
有一种斩波电路可以同时做到输入输出电流均连续，它就是传说中的 Cuk 电路。下面我们来试图“还原”Cuk 电路的设计过程。
1) Boost 电路的输入电流是连续的，所以 Cuk 电路的输入部分应该是类似图9所示的电路（Boost 的输入部分）。

图9  输入电流连续的斩波电路单元

2) Buck 电路的输出电流是连续的，所以 Cuk 电路的输出部分应该是类似图2所示的电路（Buck 的输出部分）。根据二极管的方向来判断，图10中左图是正压输出，右图是负压输出，也就是 Cuk 电路可能是正压输出也可能是反压输出。

图10 输出电流连续的斩波电路单元

先假定 Cuk 电路是正压输出的，将图9和图10进行组合，电感L₁和L₂之间简单导线直连就得到了图11电路。
1) 稍加分析图11就会发现问题。由于稳态时电感L₁和L₂电压平均值均为零，所以导线直连意味着输入电压U_I与输出电压U_O将相等，这样的电路没有变压功能，显然是行不通的，L₁到L₂之间必须有压差。

图11 Cuk 电路雏形一

2) 三种基本元件中，电感连接的效果和导线一样，电阻连接将会直接带来功耗，只有电容可以实现输入输出之间形成压差。
仍假定 Cuk 电路时正压输出，利用电容连接图9和图10于是就有了图12所示的 Cuk 电路雏形。
1) 对图12进行分析，开关SW1闭合和断开时，C₁上的电流方向肯定得是一左一右（要么反过来），否则单向电流时C₁上电压不可能稳定。
2) SW1开关闭合时，L₁电流一定是自左向右，所以开关断开时，L₁电流仍会保持自左向右，C₁的电流在开关断开时电流方向也是自左向右。因此，当开关闭合时，C₁电流应该是自右向左。C₁、SW1、S_D1形成的电流网孔，流过逆时针电流将是短路，所以图12所示电路也有问题。

图12 Cuk 电路雏形二

现在只能假定 Cuk 电路是负压输出，将图9和图10结合以后得到图13所示电路，这就是 Cuk 电路。分析复杂电力电子电路的工作原理时，牢牢记住开关闭合就是导线、开关断开就可抹掉这一原则。

图13 Cuk电路

1) SW1开关闭合时，SW1替换为导线，S_D1抹掉，Cuk 电路的等效电路如图14所示。V₁和L₁构成一个电压回路，实际电流一定为顺时针方向；C₁、L₂和负载（C_O和R_L）构成另一个电压回路，实际电流方向一定为逆时针（原因在图6电路中分析过，C₁电流此时必须是逆时针）。

图14 开关闭合时的 Cuk 电路等效电路

2) 开关闭合时，根据图14所示的各元件电压正方向，可以分别列出L₁和L₂电压的表达式5。注意，比起前面介绍的三种电路，Cuk 电路计算多出一个电感的电压方程，同时也多出一个电容电压的未知数。
（5）
3) SW1开关断开时，SW1抹掉，S_D1替换为导线，Cuk 电路的等效电路如图15所示。V₁、L₁和C₁构成一个电压回路，实际电流一定为顺时针方向（L₁电流方向不会变）；L2和负载（C_O和R_L）构成另一个电压回路，实际电流方向一定为逆时针（L₂电流方向不会变）。

图15 开关断开时的 Cuk 电路等效电路

4) 开关断开时，根据图15所示的各元件电压正方向，可以分别列出L₁和L₂电压的表达式6。
（6）
5) 对L₁和L₂分别计算电压平均值，可得一个二元一次方程组，求解得到式3。结果表明，Cuk 电路为负压输出电路，可升压可降压。




（7）

Cuk 中有关电感量、开关频率、滤波电容、负载轻重的仿真读者自行利用 TINA 仿真进行研究。值得一提的是 Cuk 电路在理论上非常完美，但由于电路复杂，参数比较难设定，最常用的斩波电路还是 Buck、Boos、Buck-Boost 三种。

3  Sepic 和 Zeta 斩波电路
Cuk 电路是反压输出，前面分析过正压输出难以做到输入输出电流均连续。在基本斩波电路中，还有 Sepic 和 Zeta 两种拓扑，可以做到正压输出，但仅能保证一个电流连续。Sepic 电路为输入电流连续，Zeta 为输出电流连续。
根据 Buck-Boost 电路的负面经验，输入电流不连续的单元如图16所示；输出电流不连续的单元如图17所示，其中，输出负压的是左图，输出正压的是右图。

图16 输入电流不连续的斩波电路单元

图17 输出电流不连续的斩波电路单元

将输入电流连续的图18单元与输出电流不连续的图17单元（输出电压为正的右图）中用电容连接起来，就构成了 Sepic 电路，如图19所示。像 Cuk 电路那样列L₁和L₂电压方程组可以计算出 Speic 电路的输出电压U_O，它与 Cuk 电路U_O表达式仅有正负号的区别，本书不再推导。

图18 输入电流连续的斩波电路单元

图19 Sepic 电路

将输入电流不连续的图20单元与输出电流连续图21单元（输出电压为正的左图）用电容连接起来，就构成了 Zeta 电路，如图22所示。Zeta 电路输出电压U_O表达式与 Sepic 电路相同，本书也不再推导。

图20输入电流不连续的斩波电路单元

图21 输出电流连续的斩波电路单元

图22 Zeta 电路

欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答：

选择题：
1、升降压斩波电路中，输出电压实质来源哪个元件？
A.电容        
B.电感        
C.续流二极管        
D.开关

2、关于升降压斩波电路，说法正确的是？
A.只能输出反压        
B.可以升压也可以降压        
C.由 Buck 和 Boost 电路级联组合而成        
D.可以空载使用

3、关于 Cuk 电路，说法正确的是？
A.可以输出正压
B.输入电流连续        
C.输出电流连续

4、关于 Sepic 和 Zeta 电路，说法正确的是？
A.均可正压输出        
B.输入电流均连续        
C.输出电流均连续

参考答案：
1 B
2 AB
3 BC
4 A

secret

1、B
2、AB
3、BC
4、A

zhongming

B
AB
BC
A

希翼飞马

B AB BC A

wudi159

B
AB
BC
A

希翼飞马

B
AB
BC
A

邓俊彬

B
AB
BC
A

humingyu

1、B
2、AB
3、BC
4、A

笃学敏行

1、B
2、AB
3、BC
4、A

Radish

1、B
2、AB
3、BC
4、A

sym12

B
AB
BC
A