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國立虎尾科技大學電機系專題精簡報告 題目:多電壓位準 Buck-Boost 轉換器

（Multi-Voltage Level Buck-Boost Converter） 執行期限：106 年 2 月 20 日至 106 年 12 月 5 日

指導老師：邱國珍老師

專題參與人員：林育任 林峻葳 鄭朝蔚 羅文迪

班級：四電機四甲

一、摘要

當輸入電壓是變動的，有時比輸出電

壓高、有時卻比較低時(例如放電中的電

池)，升/降壓轉換器 (Buck-Boost) 是最

佳的電源解決方案。

升/降壓轉換器 (Buck-Boost) 內部的

四組 MOSFET 開關依據輸入電壓和輸出電

壓間的差異，自動切換為降壓模式 (Buck

mode) 或升壓模式 (Boost mode)。這項特

性使得 Buck-Boost 非常適合應用在電池

供電的應用，它能夠從電池充滿電的高電

壓狀態，一路使用到電力耗盡的低電壓狀

態，並盡可能的在用盡電池中的可用電力

時，提供固定的輸出電壓。

When the input voltage is variable,it is

sometimes higher than the output voltage,but

it is sometimes lower than the output voltage

(such as the battery is in the discharge).The

Buck-Boost converter is the best power

solution.

The four MOSFET switches inside the

Buck-Boost converter automatically switch

to Buck mode or Boost mode depending on

the difference between the input voltage and

the output voltage. This feature makes

Buck-Boost ideal for battery-powered

applications, it can be from a fully charged

high-voltage battery state, all the way to the

use of low-voltage power-down state, and as

far as possible in the depletion of available

battery power provide a fixed output voltage.

關鍵詞(Keyword)：Buck-Boost轉換器

(Buck-Boost converter)

二、專題緣由與目的

在日常生活中乾電池的使用非常普

遍，但也帶來許多不方便及不環保，例如

需要一直更換電池、廢電池回收也不完

全，因此我們想到如果可以用生活中最常

用的電壓，USB 5.2V電壓，調整到我們所

需的乾電池電壓，來取代乾電池，如此就

不用時常購買及更換電池，也能利用行動

電源隨身充電，還可以響應環保。

所以我們想到用我們所學過的

Buck-Boost直流升降壓，來調整到我們所

需的乾電池電壓，把原本的 5.2V電壓調到

1到 4顆乾電池的電壓，及 9V電池電壓，

分別是 1.5V、3V、4.5V、6V、9V。

三、Buck-Boost 轉換器

降壓-升壓變換器（buck–boost

converter）也稱為 buck–boost 轉換器，

是一種直流-直流轉換器，其輸出電壓大小

可以大於輸入電壓，也可以小於輸入電

壓。降壓-升壓變換器和返馳式變換器等

效，但用單一的電感器來取代變壓器。

結合降壓變換器及升壓變換器的架構

輸出電壓的電氣極性和輸入電壓相同，可

以比輸入電壓小，也可以比輸入電壓大。

這類的非反向式轉換器可以在降壓變換器

段及升壓變換器共用一個電感器、用開關

代替二極體。有時也稱為四個開關的降壓-

升壓變換器（four-switch buck-boost

converter）。

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TL494 的基本功能介紹

1. 是一種結合脈寬調變(PWM)與脈頻調變

(PFM)技術之脈波產生控制 IC。

2. 控制兩輸出脈波訊號於相同或相差

180〫之相位。

3. 具回授控制之功能。

TL494 內部基本結構

TL494 內部電路由以下腳位以及電路組成

Pin1,2,15,16 兩個誤差放大器

Pin3 脈寬調製比較器

Pin4 死區控制電路

Pin5,6 振盪電路

Pin7 接地端 GND

Pin8,9,10,11 輸出埠

Pin12 電源端 Vcc

Pin13 Output Control

Pin14 基準電壓產生電路

IRF640 介紹

IRF640屬於 Vishay的第三代 Power

MOSFETs。IRF640為設計者提供了轉換快

速、堅固耐用、低導通阻抗和高效益的強

力組合。TO-220封裝的 IRF640 普遍適用於

功耗在 50W左右的工商業應用，低熱阻和

低成本的 TO-220封裝，使 IRF640得到業

内的普遍認可。D2PAK封裝的 IRF640適用

於貼片安裝，比起現有的任何其他貼片封

裝，可說是功率最高，導通阻抗最低。

IRF640的 D2PAK封裝可適應高強度電流的

應用。IRF640的 TO-262則適用於低端通孔

安裝。

SBL1660CT 二極體

蕭特基二極體（又譯肖特基二極體）是一

種導通電壓降較低、允許高速切換的二極

體，是利用蕭特基能障特性而產生的電子

元件，其名稱是為了紀念德國物理學家華

特·蕭特基（Walter H. Schottky）。

蕭特基二極體的導通電壓非常低。一般的

二極體在電流流過時，會產生約 0.7-1.7

伏特的電壓降，不過蕭特基二極體的電壓

降只有 0.15-0.45 伏特，因此可以提昇系

統的效率。

精密電阻的特性

精密電阻要求電阻的阻值誤差、電阻的熱

穩定性（溫度係數）、電阻器的分布參數

（分布電容和分布電感）等項指標均達到

一定標準的電阻器。

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電路動作流程 將輸入端加入 5.2V 電壓，再將 15V電

壓接上 TL494，藉由調整可變電阻得到所需

的-1.5V、-3V、-4.5V、-6V、-9V。

當輸入為 5.2V，輸出為-1.5V

模擬電路圖

模擬波形圖

模擬效率為:62.57%

實測效率為:55.47%

實體電路圖

輸出波形圖

CH1 為輸出電壓，CH3 為輸出電流

週期為 2.5us

輸出測量

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當輸入為 5.2V，輸出為-9V

模擬電路圖

模擬波形圖

模擬效率為:72.19%

實測效率為:62.48%

實體電路圖

輸出波形圖

CH1 為輸出電壓，CH3 為輸出電流

週期為 5us

輸出測量

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四、使用 LM5175 的四開關 Buck-Boost

(1) LM5175 升降壓控制器

德州儀器 LM5175/LM5175-Q1 四開關

同步降壓升壓控制器可調節輸出電壓，使

其等於、高於或低於輸入電壓。

LM5175/LM5175-Q1 的輸入電壓運作範

圍從 3.5V 至高達 42V，可支援多種應用。

LM5175/LM5175-Q1 在降壓與升壓運作模式

均採用電流模式控制，以達到優異的負載

與線路調節。

開關頻率是由外部電阻器編程，並可

同步至外部時脈訊號。功能包括可程式軟

啟動功能及多種保護功能，包括逐週期電

流限制、輸入欠壓鎖定(UVLO)、輸出過電

壓保護(OVP)、過熱關機。此裝置可選擇以

連續導通模式(CCM)或不連續導通模式

(DCM)運作。

電路 layout 圖

電路實體圖

(2) 四開關的動作原理

供電模式電感電流與各功率開關切換波形

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模式一：t０＜t＜t１

此為 Boost(升壓)模式

模式二：t６＜t＜t７

此為 Buck(降壓)模式

五、結論

Buck-Boost 電路能夠實現將輸入

5.2V，轉為輸出 1.5V、3V、4.5V、6V、9V，

但基本的 Buck-Boost電路輸出為負值，要

應用在實務方面，則必須要讓輸出為正

值，若將正負端反過來接可能會帶來風險。

為了解決此問題，利用 IC LM5175 的

Buck-Boost 四開關電路架構，能夠使輸出

為正值，但要做出高頻電路以我們的程度

是較困難的，也嘗試了降低電路頻率，但

降低之後又達不到我們需要的頻率，最後

也是難以達到我們所需要的電壓，雖然

Buck-Boost 能做到升降壓的功能，但是讓

輸出為正值還是有許多需要努力研究的地

方。

六、參考資料

https://www.richtek.com/selection-gu

ide/tw/selection-buckboost.html

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99

%8D%E5%A3%93-%E5%8D%87%E5%A3%93%E8%A

E%8A%E6%8F%9B%E5%99%A8

http://edu.21dianyuan.com/index/cour

se_video/vcid/1647

https://www.digikey.tw/zh/product-hi

ghlight/t/texas-instruments/lm5175-b

uck-boost-controller

https://zh.wikipedia.org/wiki/TL494

https://baike.baidu.com/item/%E7%B2%

BE%E5%AF%86%E7%94%B5%E9%98%BB

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%82

%96%E7%89%B9%E5%9F%BA%E4%BA%8C%E6%9E

%81%E7%AE%A1

https://baike.baidu.com/item/IRF640

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