嵌入式硬件篇---BuckBoost电路

Buck 电路和 Boost 电路是两种最基础的开关电源电路，核心功能是 “变压”—— 前者把高电压降到低电压，后者把低电压升到高电压。它们结构简单、效率高，在手机充电器、充电宝、电机驱动等场景中随处可见。

一、先搞懂开关电源的 “核心逻辑”

无论是 Buck 还是 Boost，都属于 “开关电源”，它们的变压原理和我们熟悉的 “线性稳压器（比如 7805）” 完全不同：

• 线性稳压器像 “减压阀”，输入高电压，通过电阻发热消耗多余能量，直接输出低电压（效率低，发热大）。
• 开关电源像 “转运站”：通过一个高速开关（比如 MOS 管）不断 “通断”，把电能先变成 “高频脉冲”，再通过电感、电容储存和释放，最终转换为稳定的目标电压（几乎不浪费能量，效率高）。

关键元件：

• 开关管（MOS 管或三极管）：像水龙头一样，高速通断（频率通常几十 kHz 到几 MHz），控制能量的 “通断”。
• 电感（L）：“储 energy 小仓库”，利用电磁感应储存电能，电流不能突变（可以理解为 “阻碍电流突然变大或变小”）。
• 二极管（D）：“单向阀门”，控制电流方向，防止反向漏电。
• 电容（C）：“平滑器”，过滤脉冲，输出稳定的直流电压。

二、Buck 电路：降压电路（输入电压 > 输出电压）

比如把 12V 降到 5V，10V 降到 3.3V，都用它。

1. 电路结构（画个简单示意图）

输入电压Vin（高） → 开关管（Q）→ 电感（L）→ 输出电压Vout（低）→ 负载↓二极管（D）→ 接地（续流二极管）
输出端并联电容（C），一端接Vout，一端接地。

2. 工作过程：分 “开关导通” 和 “开关断开” 两个阶段

想象电感是一个 “弹簧”，电流流过时像 “压缩弹簧储能”，断开时像 “弹簧弹开释放能量”。

阶段 1：开关管导通（Q 闭合）

• 电流路径：Vin → 开关管 Q → 电感 L → 负载 → 地。
• 此时电感 L 中有电流流过，开始储存能量（就像给弹簧上劲），电感两端产生 “左正右负” 的电压，阻碍电流增大（但电流还是会慢慢变大）。
• 二极管 D 此时被反向截止（因为电感右侧电压比地高，二极管正极接地，不通）。

阶段 2：开关管断开（Q 打开）

• 开关断开后，电感 L 里的电流不能突然消失（电感特性：阻碍电流突变），会产生 “右正左负” 的感应电压，继续给负载供电。
• 电流路径：电感 L → 负载 → 地 → 二极管 D → 电感 L（形成回路）。二极管 D 此时正向导通，起到 “续流” 作用（所以叫续流二极管）。
• 电感释放之前储存的能量，电流慢慢减小。

最终结果：
开关不断通断，电感交替储能和释能，电容过滤掉脉冲，最终输出稳定的低电压 Vout。通过控制开关 “导通时间占比”（专业叫 “占空比”），就能调节输出电压：导通时间越长，输出电压越高（但始终低于输入电压）。

3. 核心公式（不用记，理解意思）

输出电压 Vout ≈ 占空比 × 输入电压 Vin
（占空比 = 开关导通时间 ÷ 总周期，范围 0~1，所以 Vout 一定小于 Vin）

4. 应用场景

• 笔记本电脑电源（把 220V 整流后的 310V 直流降到 19V）。
• 单片机供电（把 12V 降到 5V 或 3.3V）。
• 电机驱动（比如 12V 电池给 5V 电机供电）。

三、Boost 电路：升压电路（输入电压 < 输出电压）

比如充电宝把 3.7V 锂电池电压升到 5V 给手机充电，太阳能板把低电压升到可用电压，都用它。

1. 电路结构（和 Buck 反过来）

输入电压Vin（低）→ 电感（L）→ 开关管（Q）→ 接地↓二极管（D）→ 输出电压Vout（高）→ 负载
输出端并联电容（C），一端接Vout，一端接地。

2. 工作过程：同样分 “开关导通” 和 “开关断开”

电感还是 “储能弹簧”，但能量储存和释放的方向变了。

阶段 1：开关管导通（Q 闭合）

• 电流路径：Vin → 电感 L → 开关管 Q → 地。
• 此时电感 L 中有电流流过，快速储存能量（弹簧被压缩），电感两端产生 “左正右负” 的电压，电流越来越大（储能越来越多）。
• 二极管 D 此时被反向截止（因为电感右侧接开关管到地，电压接近 0，二极管正极接电感左侧，负极接输出端，不通）。

阶段 2：开关管断开（Q 打开）

• 开关断开后，电感 L 的电流不能突变，会产生 “左负右正” 的高感应电压（因为要维持电流方向），这个电压会和输入电压 Vin 叠加，一起通过二极管 D 输出。
• 电流路径：电感 L → 二极管 D → 负载 → 地 → Vin → 电感 L（形成回路）。
• 此时电感释放能量，叠加输入电压，输出一个比 Vin 高的电压 Vout，同时给电容 C 充电（电容储存能量，维持输出稳定）。

最终结果：
开关不断通断，电感在导通时储能，断开时释放能量并与输入电压叠加，电容平滑输出，最终得到稳定的高电压 Vout。开关导通时间越长（占空比越大），电感储存的能量越多，输出电压越高（始终高于输入电压）。

3. 核心公式（理解意思即可）

输出电压 Vout ≈ Vin ÷ (1 - 占空比)
（占空比范围 0~1，所以 1 - 占空比小于 1，Vout 一定大于 Vin）

4. 应用场景

• 充电宝（3.7V 锂电池→5V 输出）。
• 手机闪光灯（电池 3.7V，闪光灯需要更高电压）。
• 太阳能发电系统（太阳能板输出电压低，通过 Boost 升到蓄电池充电电压）。

四、Buck 和 Boost 的关键区别（一张表看懂）

对比项	Buck 电路（降压）	Boost 电路（升压）
电压关系	输入 Vin > 输出 Vout	输入 Vin < 输出 Vout
核心功能	降低电压，输出电流可大于输入电流（因为能量守恒：电压 × 电流≈不变）	升高电压，输出电流小于输入电流
开关管位置	电感前面（串联在输入和电感之间）	电感后面（并联在电感和地之间）
占空比影响	占空比越大，输出电压越高（但不超过 Vin）	占空比越大，输出电压越高（可远大于 Vin）
典型应用	12V→5V 供电、电机降压驱动	3.7V→5V 充电宝、低压升高压设备

五、为什么它们效率高？

因为开关管要么 “完全导通”（电阻极小，几乎不耗电），要么 “完全断开”（电流为 0，不耗电），只有在 “通断瞬间” 有微小损耗，所以效率通常能达到 80%~95%，远高于线性稳压器（效率可能只有 50% 甚至更低）。

简单说：Buck 和 Boost 就像两个高效的 “电压转换器”，一个把高电压 “变低”，一个把低电压 “变高”，靠开关的高速通断和电感的储能特性工作，是现代电子设备的 “电力调节核心”。