Buck与Buck-Boost在小家电辅助电源中的应用

作者：世辉电子（Synergy Electronics）

在ACDC电源中，输入电压一般是来自电网的85V-265V交流高压，而输出电压则是3.3V、5V、12V等直流低压，因此需要开关电源来实现降压。开关电源有Buck、Boost和Buck-Boost三大经典拓扑，其中Buck与Buck-Boost均可实现降压功能。Synergy世辉是世健旗下子公司，拥有丰富的行业经验与专业的技术实力，世辉公司电源与新能源事业部FAE结合自身经验，针对小家电的辅助电源应用中该如何选择拓扑电路以及相关产品，展开详细介绍。

一、Buck电路



Buck电路是一个降压电路，Vi=Vls+Vo。因Vi>Vo,故具有降压作用。

（1）开关管S导通阶段



当开关闭合时，续流二极管D是截止的，由于输入电压Vi与储能电感Ls接通，因此输入-输出压差（Vi-Vo）就加在Ls上，使通过Ls上的电流线性地增加。在此阶段，除向负载供电外，还有一部分电能储存在电感Ls和电容Cr中。

（2）开关管S关断阶段



当开关断开时，Ls与Vi断开，但由于电感电流不能在瞬间发生突变，因此在电感Ls上就产生反向电动势以维持通过的电流不变。此时续流二极管D导通，储存在电感Ls中的电能就经过有D构成的的回路对负载供电。（主要是电容C对负载供电，此阶段一直给电容充电，维持电压稳定）

二、Buck-Boost电路



Buck-Boost电路的输入电压与输出电压的极性是相反的。

（1）开关管S导通阶段



当开关闭合时，输入电压通过电感L直接返回，在电感Ls上储能，此时电容Cr放电，给负载供电。

（2）开关管S截止阶段



当开关断开时，在电感Ls上产生反向电动势，使二极管D从截止变成导通。电感给负载供电并对输出电容充电，维持输出电压不变。

通过以上对比，可得知：Buck-Boost电路的输入电压与输出电压的极性是相反的。因此，Buck与Buck-Boost两者最大的区别就在于输入与输出电压的极性：Buck是同极性拓扑，即输出与输入电压的极性相同，二者共地；而Buck-Boost是反极性拓扑，即输出与输入电压的极性相反，输出端提供负压（相对输入电压）。



在小家电应用场景中的功率模块控制部分，工程师常用到双向晶闸管(TRIAC)等交流开关(AC Switch)。而使用负压驱动交流开关，就能实现更高的电路可靠性与兼容性。在使用交流开关的系统中，往往优先选择能输出负压的Buck-Boost；而在不需要负压驱动的系统中，则可以选择Buck拓扑：
•Buck的输入与输出端共地，更利于系统的多级拓展。
•Buck的电感电流利用率比Buck-Boost更高。在电感电流(IL)相同时，Buck能输出更大电流(IO)。



三、产品推荐

知道了如何选拓扑后，又该怎么选产品呢？世辉FAE推荐来自上海晶丰明源（BPS）的BP852X系列高性能开关电源驱动芯片，支持Buck和Buck-Boost拓扑，并具有极简的外围电路，可应用于低成本的小家电辅助电源设计，如：小家电辅助电源、电机驱动辅助电源、IoT/智能家居/智能照明等多个领域。该系列产品拥有众多的优秀特性，包括：
        集成Vcc电容、续流二极管和反馈二极管
        集成650V高压MOSFET
        集成高压启动和自供电电路
        低待机功耗50mW@230Vac
        优异的动态响应速度，输出电压纹波小
        降低音频噪声的降幅调制技术
        改善EMI性能的频率调制技术

接下来，世辉FAE将以该系列的BP85226D为例，展开具体介绍。




图：封装与规格


图：电性能参数表


图：BP85226D应用原理图


图：产品实物


图：BOM表


四、PCB Layout及建议

1.IC-GND能起到散热作用，可以铜散热。但IC-GND是电压动点，在满足散热的条件下铺铜面积应尽量小；同时需远离输入交流端，以避免容性耦合产生EMI问题。
2.输出电感可能产生电磁干扰，建议远离芯片FB脚的同时，也远离输入端以避免EMI问题。为了芯片和电压动点远离交流输入端，建议将输入电解电容放置在芯片和交流输入端之间。
3.DRAIN接输入直流母线，为电压静点，可以铺铜散热。建议DRAIN和FB、IC-GND的走线距离大于2mm。
4.尽量减小功率环路面积以避免EMI干扰并提高系统可靠性。以Buck 为例，建议缩小输入电容、内置MOSFET、电感、输出电容组成的励磁回路，以及电感、输出电容、续流二极管组成的续流回路面积。
5.建议功率回路的走线宽而短, 以提高系统可靠性，比如母线到GND引脚的走线、GND到输出电容的走线等。
6.反馈回路面积与走线长度也应减小，以提高可靠性。
7.如果由于客观因素(例如PCB板形状等)导致Layout无法充分满足第5、6条建议时，可在VOUT和GND之间靠近引脚位置放置100nF(104)贴片电容，从而提高系统可靠性。



图：电感选取建议


图：负载调整率



图：启动波形


图：输出电压纹波


图：动态响应


图：传导EMI


图：浪涌


图：群脉冲测试


图：ESD测试*
*以上测试结果为实验室条件下真实测试下得出，实际产品视应用环境和批次差异，可能存在不同，晶丰明源保留最终解释权。


图：BP852X系列产品选型表

总结

晶丰明源的BP852X系列芯片具有极简的外围电路以及超高的集成度，能极大地降低应用方案的成本与备货难度；丰富的保护有助于加强系统稳定性；此外，该产品还兼具优秀的动态响应、待机功耗和输出调整等性能, 因此非常适合用于小家电的辅助电源。Synergy世辉可提供全系列产品及相关的技术支持。