四开关降压-升压拓扑设计要点与工程师选型建议

在宽输入电压（VIN）应用中，四开关降压-升压（4-switch buck-boost）转换器因其灵活的电压适应能力，成为替代SEPIC、Cuk等多电感拓扑的理想选择。该结构仅需一个电感即可实现VIN高于、低于或等于输出电压（VOUT）的全范围调节，广泛适用于电池供电设备、工业电源及车载系统等对空间和效率要求较高的场景。

如下图所示，该拓扑由四个功率开关组成，工作模式依据VIN与VOUT的关系动态切换：

升压模式：左上桥臂开关导通并保持，右下桥臂开关进行PWM控制，形成传统Boost结构；

降压模式：右上桥臂开关导通并保持，左下桥臂开关进行PWM控制，表现为标准Buck结构；

升降压过渡模式：当VIN接近VOUT时，四个开关均参与换相，通过调节平均电压维持输出稳定。

热环路分析与EMI优化建议

不同工作模式下的热环路分布有所不同：

在降压模式下，主要热环路位于输入侧，右侧开关动作引发辐射噪声；

在升压模式下，热环路集中在输出侧，左侧开关切换带来高频干扰；

在升降压模式下，两个热环路同时存在，EMI问题更为复杂，布局时应优先降低两部分环路面积。

相比SEPIC拓扑，四开关结构因使用单一电感，简化了电路设计并节省PCB空间，但在模式切换过程中可能引入瞬态频谱扰动。新一代IC（如ADI产品）已通过优化控制算法和斜率补偿技术显著缓解此类问题，但仍需注意输入变化速率，避免频繁模式切换造成不稳定。

工程师设计注意事项：

驱动刷新机制：顶部开关在持续导通状态下仍需定期刷新，防止因长时间关闭导致驱动失效；

模式切换滞回设置：为避免在VIN缓慢变化时产生震荡，控制器内部通常设有滞回窗口，影响响应速度；

反馈网络隔离与精度：由于输出极性可能与输入一致，反馈路径需考虑电气隔离或共模误差补偿；

散热与封装选择：高功率密度下MOSFET损耗较大，建议采用低RDS(on)器件，并结合良好散热封装或模块化方案。

推荐型号及其适用场景：

LT3433：支持4V至60V输入，输出可调至3.3V~20V，500mA电流能力，适合宽输入通用型升降压设计；

LTC3114-1：集成同步整流，支持40V输入/40V输出，具备可编程输出电流限制，适用于高精度恒流应用；

LTM8083：uModule封装，3V~36V输入，输出1V~36V连续可调，1.5A输出电流，适合快速部署的小型化系统。

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总结而言，四开关降压-升压拓扑以其单电感结构、高效能表现和宽VIN/VOUT适应能力，成为现代电源系统中的重要组成部分。对于工程师而言，深入理解其工作原理、热环路行为以及合理选型，是实现高性能电源设计的关键所在。