Buck-Boost电路（升降压变换器）是一种既能升高也能降低输入直流电压，且输出极性反转的开关电源拓扑。它结合了Buck和Boost的部分特性，但输出与输入不共地，且电压极性相反（负压输出）。

核心原理： 通过控制开关管（MOSFET）的导通与关断，利用电感储存和释放能量。开关导通时，电感从输入电源储能；开关关断时，电感释放能量，其感应电压极性反转，通过二极管向输出电容和负载供电。通过调节占空比（D）即可实现降压或升压功能，同时输出负电压。

一、核心元件：

开关管 (S): MOSFET，受PWM信号控制。

二极管 (D): 输出二极管，在开关关断时导通，提供能量传递路径并阻止电容反向放电。

电感 (L): 核心储能元件，连接在开关节点和输出回路之间。

输出电容 (C): 滤波，维持输出电压稳定，减小纹波。

负载 (Rload): 消耗电能的设备或电路。

控制电路： 产生PWM驱动信号，通过反馈（通常采样负的Vout）调节占空比D以稳压。

二、工作过程（连续导通模式 CCM - 一个开关周期）：

阶段 1：开关导通 (Ton)

开关管S导通。

输入电压Vin施加在电感L两端（左正右负）。此时二极管D因承受反向电压（阴极为地或正电位）而截止。

电流路径：Vin+ -> S -> L -> Vin- (地)。 (输入电源直接为电感充电)

电感L两端电压VL = Vin (忽略S压降)，为正。

根据VL = L * di/dt，电感电流IL线性增加，电感储存磁能。

此时，输出部分与输入隔离。负载电流完全由输出电容C放电提供（维持负的Vout）。电容C放电，其电压绝对值略降。

阶段 2：开关关断 (Toff)

开关管S关断。

电感电流IL不能突变，产生反向电动势（极性反转：左负右正），试图维持电流方向。

这使得电感左端（开关节点）电压被拉低至负电位（低于地），导致二极管D正向偏置而导通。

电流路径：地 -> C//Rload -> D -> L -> S断开点。 (电流方向与Ton期间相同，但回路改变)

电感L两端电压此时变为VL = -Vout (忽略D压降)。因为Vout是负值，-Vout是正的（例如 Vout = -12V, VL = +12V）。这个电压是负的（相对于Ton期间定义的参考方向）。

根据VL = L * di/dt，负的VL使电感电流IL线性减小，电感将其储存的磁能释放。

释放的能量通过二极管D向输出电容C充电并为负载Rload供电。电容C充电，其负电压绝对值上升（Vout变得更负）。

三、输出电压与占空比的关系（理想情况）：

伏秒平衡： 稳态下，电感两端在一个周期内的平均电压必须为零。

导通阶段 (Ton): 施加在电感上的电压 = Vin (正)， 时间 = Ton

关断阶段 (Toff): 施加在电感上的电压 = -Vout (负，因极性反转)， 时间 = Toff (注意：Vout本身是负值，但这里 -Vout 表示电感上的实际压降方向和大小，其值为正数)。

伏秒积平衡：(Vin) * Ton + (-Vout) * Toff = 0

即：Vin * Ton = Vout * Toff (移项)

因为Ton + Toff = T, Ton = D * T, Toff = (1 - D) * T

代入：Vin * (D * T) = Vout * ((1 - D) * T)

两边除以T：Vin * D = Vout * (1 - D)

理想Buck-Boost电路的输出电压公式为：Vout = -Vin * (D / (1 - D))

四、关键解读：

负号 (-): 表示输出电压与输入电压极性相反。

D / (1 - D): 决定了电压变换的幅度。

当D < 0.5 时： D / (1 - D) < 1 => |Vout| < Vin，电路工作在降压模式（输出负压绝对值小于输入正压）。

当D = 0.5 时： D / (1 - D) = 1 => |Vout| = Vin，输出电压绝对值等于输入电压（极性相反）。

当D > 0.5 时： D / (1 - D) > 1 => |Vout| > Vin，电路工作在升压模式（输出负压绝对值大于输入正压）。

通过调节占空比D (0 < D < 1)，即可连续调节输出电压的绝对值，使其低于、等于或高于输入电压，同时保持极性反转。

五、关键波形：

开关驱动信号 (VG): 方波，高电平导通S，低电平关断S。

开关节点电压 (Vsw): 在Ton期间≈0V (S导通到地)，在Toff期间≈Vout (负值，D导通)。

电感电压 (VL): 在Ton期间为 +Vin，在Toff期间为 -Vout (负值)。

电感电流 (IL): 在Ton期间从最小值 Imin 线性上升到最大值 Imax。在Toff期间从 Imax 线性下降到 Imin。平均输入电流等于平均电感电流在Ton期间的平均值，平均输出电流等于平均电感电流在Toff期间的平均值。

二极管电流 (ID): 在Ton期间为0，在Toff期间等于电感电流IL。

输入电流 (Iin): 只在Ton期间存在，波形是IL在Ton期间的片段。

输出电流 (Iout): 只在Toff期间存在（由L和C提供），波形是IL在Toff期间的片段。

输出电压 (Vout): 负直流电压。在Ton期间（C放电）绝对值略降，在Toff期间（C充电）绝对值略升，存在纹波。

六、核心作用与特点：

升降压 & 极性反转： 核心功能。输出电压 Vout = -Vin * (D / (1 - D))，可低于或高于输入电压绝对值，且极性相反。

稳压： 通过反馈控制占空比D，维持负输出电压的稳定。

输入/输出电流断续： 输入电流仅在Ton期间流动，输出电流仅在Toff期间流动（忽略电容电流），两者都是脉动的。这会导致输入和输出端的EMI滤波要求较高。

效率： 理论上效率较高，但二极管导通损耗（或同步整流损耗）和开关损耗会影响实际效率。

非隔离： 基本拓扑不提供输入输出之间的电气隔离。

七、重要概念：

工作模式 (CCM/DCM): 同样存在连续导通模式（CCM，要求最小负载电流）和断续导通模式（DCM，轻载时）。DCM下输出电压公式更复杂，且负载调整率变差。

同步整流： 用MOSFET代替二极管D可显著提高效率，尤其是在低输出电压（绝对值）或大电流应用中。控制需确保两个MOSFET（开关管和同步整流管）不会同时导通（死区时间）。

八、应用场景：

需要负电源轨的电路（如运放供电、某些传感器接口）。

输入电压范围宽（可能高于或低于所需输出电压绝对值）且输出需要负压的应用（如电池供电设备）。

单电源输入需要生成对称正负电源的场合（需配合其他拓扑）。

Cuk, SEPIC, Zeta： 这些也是升降压拓扑，能实现升降压但保持输出与输入同极性。Cuk和SEPIC的输入/输出电流连续性比Buck-Boost更好（EMI更优），但元件更多，效率可能略低。

警告： 输出负压！调试和连接负载时需特别注意参考地电位（GND）的定义，避免短路或损坏设备。

总结：

Buck-Boost电路通过开关管控制电感在输入电源储能（Ton）和向负载释放能量（Toff）两个状态间切换。在Toff期间，电感感应电压极性反转，通过二极管产生与输入极性相反（负压）的输出。通过调节占空比D，可以灵活地使输出电压的绝对值低于、等于或高于输入电压（|Vout| = Vin * (D / (1 - D))）。其核心价值在于提供负压和宽输入电压范围下的升降压能力，但代价是输入/输出电流脉动较大且极性反转。同步整流可提升效率。当需要同极性升降压时，可考虑Cuk、SEPIC或Zeta拓扑。