開關電源作為現(xiàn)代電子設備的核心供電模塊，其設計需兼顧效率、穩(wěn)定性與電磁兼容性。本文以Buck-Boost拓撲為核心，結合環(huán)路補償與EMI抑制策略，通過理論推導與實際案例解析關鍵設計要點。

一、Buck-Boost拓撲：極性反轉的能量緩沖器

1.1 工作原理與能量傳輸機制

Buck-Boost拓撲通過電感儲能實現(xiàn)輸入與輸出電壓的極性反轉，其核心特性為：輸出電壓可高于、等于或低于輸入電壓，但極性相反。例如，將+12V輸入轉換為-5V輸出，或-12V輸入轉換為+15V輸出。

在開關導通階段，輸入電壓通過開關管向電感充電，此時二極管反向截止，輸出電容向負載供電。開關關斷時，電感儲能通過二極管向輸出電容和負載釋放能量。根據(jù)伏秒平衡原理，推導出輸出電壓公式：

Vo=?Vin?1?DD其中，D為占空比。當D=0.5時，輸出電壓為輸入電壓的-1倍;D>0.5時升壓，D<0.5時降壓。

1.2 實際應用案例：TPS5430的極性反轉設計

TI公司的TPS5430是一款3A降壓轉換器，通過拓撲重構可實現(xiàn)Buck-Boost功能。將原Buck電路的輸出端與地端互換，并調(diào)整二極管方向，即可將12V輸入轉換為-5V輸出。仿真與實測數(shù)據(jù)顯示：

輸入12V，占空比38.23%時，理論輸出電壓為-7.42V(未考慮二極管壓降);

實測輸出為-6.8V，誤差源于二極管0.7V正向壓降與線路損耗;

輸出紋波達306mV，需通過增加輸出電容或優(yōu)化PCB布局降低。

1.3 關鍵設計約束

Buck-Boost拓撲對元件參數(shù)敏感：

電感選擇：需保證導通時間最大時，電感電流在關斷末期降至零。例如，輸入24V、輸出-12V、開關頻率100kHz時，電感應滿足：

L≥(Io,max?(1?D))2Vin?D?T其中T為開關周期，Io,max為最大負載電流。

電容ESR：輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)需低于目標紋波電壓要求。例如，輸出紋波≤50mV時，陶瓷電容(低ESR)優(yōu)于電解電容。

二、環(huán)路補償：動態(tài)響應的穩(wěn)定器

2.1 補償需求與拓撲關聯(lián)

不同拓撲的傳遞函數(shù)特性決定補償策略：

Buck/Boost：LC濾波器引入雙極點，相位滯后達-180°，需II型或III型補償?shù)窒麡O點。

Buck-Boost：類似Boost拓撲，存在右半平面零點(RHPZ)，限制帶寬擴展。例如，在連續(xù)導通模式(CCM)下，RHPZ頻率為：

fRHPZ=2πL?ILVo需通過III型補償將相位裕度提升至45°以上。

2.2 補償器設計與參數(shù)計算

以Buck-Boost為例，采用III型補償網(wǎng)絡(兩零點兩極點)：

零點設計：第一零點Fz1抵消LC雙極點，第二零點Fz2補償ESR零點。

Fz1=2πRcompCcomp11,Fz2=2πRcompCcomp21極點設計：第一極點Fp2抑制高頻噪聲，第二極點Fp3置于開關頻率一半處。

Fp2=2πRcomp(Ccomp1+Ccomp2)1,Fp3=2fsw實測驗證：通過LTspice仿真，補償后相位裕度從6°提升至52°，交越頻率穩(wěn)定在20kHz(開關頻率100kHz的1/5)。

2.3 避坑指南

ESR變化：陶瓷電容的ESR隨溫度/電壓波動，需預留20%余量。例如，X7R陶瓷電容在-55℃~125℃范圍內(nèi)ESR變化達3倍。

帶寬過高：交越頻率超過開關頻率1/5可能導致振蕩。實測顯示，交越頻率設為40kHz(100kHz的2/5)時，系統(tǒng)出現(xiàn)10kHz振蕩。

三、EMI抑制：噪聲控制的立體防御

3.1 噪聲源與傳播路徑

Buck-Boost電路的EMI主要源于：

差模噪聲：由開關管電流突變(di/dt)產(chǎn)生，通過電源線傳導。例如，Buck電路中上管電流頻域分析顯示，100kHz開關頻率的諧波能量集中在1MHz以內(nèi)。

共模噪聲：由開關管電壓突變(dv/dt)產(chǎn)生，通過寄生電容耦合至機殼。實測顯示，SW節(jié)點電壓在100ns內(nèi)從0V躍升至24V，dv/dt達240V/μs。

3.2 抑制策略與實測數(shù)據(jù)

輸入濾波：增加X電容(如10μF/100V)與共模電感(如10mH/1A)，可將傳導噪聲從60dBuV降至45dBuV(EN55032 Class B限值)。

布局優(yōu)化：縮短開關電流回路(如將輸入電容靠近芯片引腳)，可使差模噪聲降低12dB。實測顯示，回路長度從50mm縮短至10mm后，1MHz處噪聲從55dBuV降至43dBuV。

磁珠吸收：在肖特基二極管上串聯(lián)60Ω/100MHz磁珠，可抑制高頻振鈴。頻域分析顯示，30MHz處噪聲幅度從-10dBm降至-25dBm。

3.3 標準合規(guī)性

以EN55032 Class B為例，傳導干擾限值在150kHz~30MHz范圍內(nèi)為40~50dBuV。通過組合使用共模電感、X電容與磁珠，實測Buck-Boost電路在全頻段通過認證，余量≥6dB。

四、綜合案例：工業(yè)電源設計實踐

某工業(yè)控制系統(tǒng)需將24V輸入轉換為±12V輸出，采用Buck-Boost與Buck組合方案：

正輸出設計：Buck電路(TPS5430)將24V降至12V，效率92%;

負輸出設計：Buck-Boost電路(LM5118)將24V轉為-12V，效率88%;

EMI抑制：輸入端共模電感(15mH/2A)+X電容(22μF/250V)，輸出端磁珠(100Ω/100MHz)+Y電容(2.2nF/250V);

環(huán)路補償：Buck采用II型補償，Buck-Boost采用III型補償，相位裕度分別達55°與48°。

實測顯示，系統(tǒng)在滿載(3A/12V + 1A/-12V)時，輸出紋波≤80mV，效率≥85%，并通過EN55032 Class B認證。

五、未來趨勢：智能化與集成化

隨著GaN器件的普及，Buck-Boost電路的開關頻率可提升至1MHz以上，但需重新設計補償網(wǎng)絡以應對更窄的相位裕度。同時，AI輔助的環(huán)路補償工具(如TI的SupIRBuck)可自動優(yōu)化補償參數(shù)，將設計周期從數(shù)周縮短至數(shù)小時。

結語：Buck-Boost拓撲通過極性反轉擴展了開關電源的應用邊界，而環(huán)路補償與EMI抑制策略則保障了其穩(wěn)定性與合規(guī)性。實際設計中需結合理論計算、仿真驗證與實測調(diào)整，形成“理論-仿真-實測”的閉環(huán)優(yōu)化流程。