2229字，学习BUCK降压电源电路

来源:工程师看海发布时间:2024-04-177289浏览

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原文来自原创畅销书籍《硬件设计指南从器件认知到手机基带设计》：

在电子电路中，电源一般分为两类，一类是线性电源，一类是开关电源。线性电源具有电路简单、面积小、噪声小等优点。开关电源虽然噪声大、面积大，但是具有效率高和热损小等优点被广泛应用。

开关电源还可以细分为降压型、升压型和升降压几类。也可按照隔离、非隔离，或者同步、非同步再进一步细分。在手机、电脑等消费电子领域，降压型BUCK电源应用非常广泛，是电源工程师的入门课。

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图2-1 (a)是DC-DC BUCK降压电源的原理图，如果不搞懂BUCK的原理而只按照官方参考原理图来设计的话，可能不会得到一个优秀可靠的电源，我们一定要以一个更深入的角度看待问题，只有这样，个人能力才会有提高。

(b)是芯片内部的功能框图，我们可以看到有两个MOS Q1和Q2，这种有两个控制MOS的BUCK被称为同步BUCK，异步BUCK中使用二极管代替Q2，把图中的开关部分和外围电感提取出来就构成了图2-2 的经典的异步BUCK拓扑图，图2-2 中的S对应图2-1 的Q1，图2-2 中的D对应图2-1 中的Q2。

图2-1BUCK原理图与内部框图

下面就介绍降压型BUCK电路的基本工作原理，并进行原理仿真。为了把我们的主要精力放在理解BUCK原理上，我们选择非同步BUCK进行开环分析，也就是电路中只有一个开关管，由二极管对电感进行续流放电，见图2-2 ，简约的东西经过组合往往会迸发出不可思议的结果，BUCK就是这样的电路。

图2-2BUCK电源拓扑

图2-2 中，当开关S导通时，SW电压为高电压，等于Vin，Vin给电感L充电，流过电感L的电流逐渐增加，充电电流路径如图中虚线箭头所示，电感电流充电波形见图2-3 ，SW高电平时电感处于充电状态。

当开关S断开时，SW为低电平，电感L通过负载和二极管D放电，电感L的电流逐渐减小，放电电流路径见图2-2 实线箭头部分，电感放电波形见图2-3 。

BUCK的基本工作过程就是对电感充放电的过程。

这里有个小说明，在同步BUCK中D会被开关代替，以提高效率。在S断开时，SW位置的电压是0，但是本章中使用的是续流二极管，则在S断开时，SW其实是有一部分的负电压的，差不多是-0.7V，这个问题在2.5.1节会有详细介绍。

图2-3BUCK开关节点电压波形和电感电流波形

下面推导BUCK输入、输出电压的计算关系，我们先不用管什么伏秒特性，只看最基本、最本质、与电感有关的公式：

V是电感两端的电压，L是电感量，△I是电感两端电流的变化量，△t是经过的时间，将公式(2-1)变换得到公式(2-2)：

在BUCK建立稳态后，一个开关周期内，电感充、放电的电流是相等的，T*D是充电的时间，T*(1-D)是放电的时间（T为开关周期；D为占空比，就是开关（上管）导通的时间占整个开关周期的百分比），在稳态时电感充放电是相等的，可得到公式(2-3):

在充电时可得到公式(2-4)，充电时电感两端的电压等于Vin-Vout，

同样的道理，可以计算得到放电过程电感电流的变化量：

联立2-3、2-4、2-5整理得到：

非常简单的计算过程，一点也不复杂。从公式(2-6)可以看出，由于D是小于1的数，因此输出Vo是小于输入Vi的，因此BUCK是降压电源。

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下面看下基于Multisim软件的BUCK原理仿真，本书中所提供仿真电路仅供交流学习使用，实际工程要考虑的参数、因素太多，本书只关注所涉及的知识内容。仿真原理图见图2-4 ，输入电压Vin=10V，开关频率为2kHz，10Vpp方波，占空比是50%，电感取2.2mH。

图2-4BUCK电源仿真

图2-5 是在BUCK电源输出端并联了47uF电容后的结果，红色方波是开关节点SW位置电压波形（方波的-0.7V电压在2.5.1节有详细介绍），黑色平滑曲线是输出的电流波形，也就是电感充放电的电流波形。通过开关管对电感充放电，可以明显看到电流充放电时的平滑三角波形（电容有滤波效果）。输入电压是10V，占空比是50%，测试得到输出电压DC值是4.3V，接近公式2-6推导的10*50%=5V，思考：为什么计算和仿真相差0.7V呢？

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图2-6 是断开C147uF电容的仿真结果，黑色电流曲线更接近三角波（无电容滤波效果），输出电压的纹波也会跟着变的陡峭。当改变输出电容时，有助于缓解输出电压的纹波，然而由于BUCK开关架构的先天特点，此纹波无法消除，只可以对它的纹波进行抑制。

同时，我们也可以看到由于续流二极管的存在，当开关断开后，红色波形有小段的负电压，这个负电压大约是-0.7v，这是和二极管相关，接近二极管的导通电压。与此同时，由于此二极管的存在，输入输出关系也略微改变，导致输出输入关系与公式2-6略有差异。这个二极管是会消耗能量的，为了进一步提升BUCK电源的效率就出现了同步BUCK电路，将续流二极管更换为开关管就可以得到同步BUCK电源。

以上就是BUCK降压电源的原理介绍。