什么是开关电源buck电路？一文带你全方位分析buck电路原理

开关电源(Switching Mode Power Supply)即开关稳压电源，是相对于线性稳压电源的一种的新型稳压电源电路，它通过对输出电压实时监测并动态控制开关管导通与断开的时间比值来稳定输出电压。

BUCK电路:基本结构 左下：开关导通时等效电路;右下：开关关断时等效电路

基本结构

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降压式变换电路(Buck电路)详解

 

等效的电路模型及基本规律

(1)从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过;电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。

(2)电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有：

 

电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。

(3)一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面周期内充电电荷减

 

小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变;反之，如果一个周期内放 电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。

(4)开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能;而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：

 

此增量将产生一个平均感应电势：

 

此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零;一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量(磁链平均增量)为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。

BUCK/BOOST电路原理

升压和降压电路，就是指电力电子设计当中常说的BUCK/BOOST电路。这两种电路经常一起出现在电路设计当中，BUCK电路指输出小于电压的单管不隔离直流变换，BOOST指输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换。作为最常见也比较基础的两种电路，本篇文章就主要对BUCK/BOOST电路原理进行讲解。

1. Buck 电路的模型Buck 电路是最常见的电路，具体电路结构如图所示。

 

对其进行等效，得到的等效电路如图 2 所示：

 

对图 1 进行等效后得到徒图2 电路，可以看出相当于一个脉冲波形的输出，高电压幅值为Vin，即图1 输入直流的电压值，低电压为0。由于图1 中D1 的存在，使得电流只能单向流动，因此在图2 中等效为串联二极管D2。

2. Buck 电路的常规角度分析

2.1 时域分析方法下面按着电容充放电和电感充放电进行时域分析。时域分析的过程是按着输入电压的高与低，分析电路里电容电压和电感电流的变化过程。这个分析过程可以按着大多课本上面所讲述的过程分析，从CCM模式到DCM 模式。

(1)CCM 模式当输入电压为 Vin 时，电感电流增加，电流小于输出负载电流iL，此时的负载电流由电感和电容同时提供。当电流逐渐增加到大于输出的平均电流的时候，电感电流为负载和电容提供能量。当输入为0，即开关管关断时，电感电流下降，此时电流依然大于输出平均值，电容电压延续上述上升的趋势，直至电感电流小于输出平均电流，电容开始放电，完成一个开关周期的循环过程。具体的波形如下：

 

(2)DCM模式在 DCM 模式下，电感的电流在开关管管断后的一段时间后逐渐减为零，此时的等效输入电压为输出电压值，具体的波形如图4 所示。

 

在 CCM 模式下，电压的输出值与输入值之间是正比关系，比例系数为占空比D。在DCM 的模式下电压会被抬升，具体的关系和电路的参数、开关频率以及占空比相关。具体的推导关系为：

 

其中

 

根据此公式可以看出，当电路输出开路，即电阻无穷大的时候，输入等于输出。

2.2 相平面分析上面的分析过程中，电感电流以及电容的电压都被看作是三角波的上升和下降，其实在有些过程中这些状态变量是正弦变化的，下面从相平面的方式分析它的工作过程。

(1)CCM 模式CCM 模式下的电路的相平面图为图5 所示，红色部分为电感电流和电容电压的变化范围和变化过程。

 

图中的过程和上面的分析过程是相似的，只是在前面把电感电流和电容电压的变化都看作是线性的。其实质的变化是电感和电容的谐振。后面将其与经典并联负载谐振的电路进行比较可以有更深层次的理解。(2)DCM 模式在 DCM 模式下，电路的向量图为图6 所示，同样变化过程如图中的红色部分所示。

 

图中的红色部分表示状态变量的变化过程，中间有一段是电流为零的，此时的电容电压逐渐下降，所有的变化过程也不是前面所述的线性变化的关系。对于两种模式，图形都是瘦长的，开关频率远大于谐振频率。对于PWM 调制的方式，不同的占空比改变的是谐振的半径，即红色部分在空间的位置，其基本形状不会发生大的改变，因为开关频率是一定的，红色部分对应的时间也就是一个恒定的值。于是对于既定的电路参数，改变占空比可能导致系统进入DCM模式(参考图6)。

3. Buck 电路的滤波器角度分析3.1 典型二阶滤波器二阶滤波器的电路如图 7 所示，与Buck 电路的后半部分唯一的不同是，Buck电路只允许电流的单向流动，下面首先对一般的滤波器进行分析。

 

推导其电压传递函数为：

 

总体的阻抗为：

 

从上面传递函数(1)可以看出：自然频率大小等于其谐振频率，在负载一定的前提下，电容的大小影响二阶系统的阻尼系数，即系统的系统的响应速度和超调。系统低频的增益为1，高频40dB/dec 下降，对高频分量的衰减效果很好，转折频率为谐振频率。从上面的传递函数

(3)可以看出：在负载一定的情况下，增大系统的电感值，可以使得系统的阻抗增加，即在输入电压一定的情况下，得到的纹波电流就越小。

3.2 电流单向二阶滤波器当在此典型滤波器的输入限制为电流单向流动，如图8 所示在输入端加上二极管，会有不同的结果，也就是说此时的二阶滤波不在是滤波作用，而是一个整流器电路。

 

由于二极管的存在使得电流只能单向流动，电压为正时，电流正向流动，电压为负值时，电流逐渐减为零不再反向，电压和电流并不同相位。具体的电路相量图如图 9 所示，开通部分与Buck 电路的开通部分相同，关断后电压反向的过程如图所示，与图6 所示的0 电压不同。这样也就说明了一个问题，这种形式的滤波器的效果与DCM 模式的Buck 模式是类似的，虽然细节是不同的。也就说明一根问题：电流单向的滤波器输出结果与输入电压单向的完整滤波器结果是不同的。

 

根据此图可以看出电容的电压为一个正值，相当于整流电路的效果。下面给出比较图：图 10 是交流输入，电流单向的输出效果。上面为电感电流下面为输入电压值，可以看出二者相位不同。图11 上面为电感电流，下面是输出电压值。可以看出输出是恒压效果。

 

 

这个系统为典型的二阶滤波环节，下面分析其与 Buck 电路后级的相同之处和不同之处。首先说明，对于 Buck 电路如图2 所示的输入电压可以等效为一个直流分量和一个交流量的加和。对于直流分量在滤波器的输出侧增益为1 且电流为正向，下面主要针对交流分量分析其输出效果。

(1)CCM 模式CCM模式下的Buck 电路电流连续，相当于后级为经典滤波器，交流分量的效果叠加在恒流和恒压的输出上，也就是我们看到的电容电压和电感电流上有一定的纹波。此纹波值是输入电压交流分量经过完整滤波器的效果，这样理解的原因是：电感电流始终连续。此时输出的的电感电流的波形为图 12 所示那样，平均电流 io为直流分量的效果，纹波值为交流分量的效果。

 

(2)DCM 模式DCM 模式下，交流分量的叠加不再完整，即不再是完整滤波器效果，此时的结果相当于后级为部分电流单向流动的滤波器，具体分析可以根据下图13 看出。首先假设电感电流可以反向，则此时的电感电流为图13中的a)所示，图中的虚线部分 io依然是直流成分的效果，交流成分的效果依然是零，即如图中b)所示那样。如果电流限制为单向，此时的效果图如c)所示，平均输出电流 io值不再是单独的直流成分的效果，而是交直流效果之和。交流成分的平均效果如图d)所示，会有一个平均值叠加在直流成分上，这也就是为什么DCM 模式下的Buck 电路的电压会升高。

 

在输出电阻为无穷大的时候，平均输出电流零，直流成分也为零，其变化过程为图14 所示虚线部分为输出电流平均值，随着时间的推移逐渐减为零。此时输出电压等于输入电压。

 

4. Buck 电路与并联负载谐振4.1 并联负载谐振的等效电路并联的负载谐振电路一般有两种形式，即输出整流侧电压源形式和输出电流源形式，具体的电路拓扑结构如图15 和图16 所示。

 

 

对于这两种形式的电路而言，都可以等效为图 17 所示的电路。

 

对于图15 所示的电路，输出侧等效为电压源，正常工作的时候谐振电容两端的电压是削顶的正弦波，而一个周期内的电感电流是正弦变化和线性变化的组合，对其进行等效有一定的困难。现在主要针对第二种形式输出电流源形式的并联负载谐振电路进行等效分析。首先说明一个相关的问题，即图15 所示电路的不控整流部分，输入端是电容两端的电压，电网电压整流是不同的，电网电压的正弦变化是不会改变的，始终是正弦的，此电路中的电压波形会被削顶。对于图 16 所示的电路，输出侧是电流源形式，主要针对电感电流连续的工作模式。谐振电容的电压是正弦变化的，只要电容两端的电压不为零，便会有电流从谐振部分流入整流输出部分，如图18 所示。

 

只要电容的电压不为零，整流的二极管便是对角开通，不会出现电感续流的过程。后级的电感和电容是二阶滤波器，即相当于Buck 电路的输出侧，输出为整流电压的直流成分。由于输入电压为谐振电容电压的绝对值，积分求平均后可以得到：

 

其中的 Vcp 是电容电压的峰值。流过电阻的电流为：

 

则整流输入侧的电流为：

 

取其基波成分为：

 

这样得到的等效电阻为：

 

这样就得到的了输出电压与谐振电容电压峰值之间的关系以及等效电阻值，即可得到图17 所示的等效电路形式，这样便可以求的其增益曲线。4.2 Buck 电路与并联负载谐振根据图 17 可以看出，此图为二阶滤波器，不是Buck 电路的输出部分。即使在谐振电感电流断续的模式下，也与Buck 电路的电流断续模式不同。对于电路的后半部分，即输出恒流的部分是可以按着 Buck 电路的连续模式等效分析的。

BUCK/BOOST电路看似简单，但是实际分析起来还是能够分析出很多细枝末节的知识。只有熟练掌握了这些基础知识，才能更加熟练、快速的完成电路设计。可见，在学习的过程当中，切忌急功近利，稳扎稳打才是最稳妥也是最能收获知识的学习方式。