BUCK電路簡(jiǎn)介

BUCK電路是一種基于電感儲(chǔ)能原理的DC-DC變換器，其涉及到物理中的電磁感應(yīng)和電能轉(zhuǎn)換的基本原理。在BUCK電路中，通過(guò)控制輸入占空比可變的PWM波切換開關(guān)管的導(dǎo)通和斷開狀態(tài)，將輸入電源提供的直流電壓轉(zhuǎn)換為可調(diào)的低電壓輸出，從而滿足不同電路的供電需求。

具體來(lái)說(shuō)，BUCK電路中的電感在導(dǎo)通狀態(tài)下，將電流通過(guò)電感中心核心的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為磁能，并將磁能存儲(chǔ)在電感中。而在斷開狀態(tài)下，由于電感的自感作用，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電壓，將電磁能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)輸出端向負(fù)載供電。因此，通過(guò)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和斷開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了電能在電容和電感之間的周期性轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，最終輸出穩(wěn)定的直流電壓。

此外，BUCK電路中的電容起到平滑輸出電壓的作用，通過(guò)在開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)下儲(chǔ)存電能，在斷開狀態(tài)下釋放電能，平滑輸出電壓波動(dòng)。同時(shí)，為了確保穩(wěn)定輸出電壓，BUCK電路通常采用負(fù)反饋控制，通過(guò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，反饋給微控制器，然后微控制器調(diào)節(jié)輸出的PWM波的占空比，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和斷開時(shí)間，使得輸出電壓保持在預(yù)定范圍內(nèi)。

BUCK電路的基本拓?fù)洌?/p>

BUCK電路工作原理四個(gè)階段

BUCK電路的工作原理可以分為四個(gè)階段：

導(dǎo)通階段：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)存電能，電容充電。

關(guān)斷階段：當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電感和電容之間的能量被傳遞到負(fù)載上，此時(shí)電感中的電流仍然存在，它會(huì)繼續(xù)流向負(fù)載。

自由輪振蕩階段：在電感電流流向負(fù)載后，開關(guān)管關(guān)閉，此時(shí)電感中的電流無(wú)法立即消失，因此電感中的能量會(huì)反向傳回開關(guān)管，驅(qū)動(dòng)二極管導(dǎo)通，這個(gè)過(guò)程稱為自由輪振蕩。

重復(fù)階段：上述三個(gè)階段重復(fù)進(jìn)行，控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比可以通過(guò)PWM控制器調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

BUCK電路輸入電壓與輸出電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

Vout = Vin x D

其中，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓，D為開關(guān)管的占空比，即PWM波的高電平時(shí)間與周期之比。

如果考慮到開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和電感、電容等元件的等效電阻，還需要引入一個(gè)效率因子η，得到如下的修正關(guān)系式：

Vout = Vin x D x η

其中，η為效率因子，通常在0.8到0.95之間。

需要注意的是，BUCK電路的輸出電壓通常不能高于輸入電壓，因?yàn)槠浠竟ぷ髟硎峭ㄟ^(guò)降壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓。因此，如果需要得到更高的輸出電壓，需要使用升壓(BOOST)電路或者其他升壓轉(zhuǎn)換電路。

dc-dc降壓電路原理圖

降壓式（Buck）變換器是一種輸出電壓≤輸入電壓的非隔離直流變換器，Buck變換器的主電路由開關(guān)管S1，二極管D，輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構(gòu)成，基本工作原理如下：

當(dāng)開關(guān)管S1閉合時(shí)，電感L被充磁儲(chǔ)能，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C充電，給負(fù)載RL提供能量（如左圖所示），此時(shí)Vout電壓緩慢上升，若S1一直閉合則最終Vout會(huì)近似等于Vin電壓（S1有耗損壓降）；

當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能電感L通過(guò)續(xù)流二極管D放電，電感電流IL線性減少，輸出電壓Vout靠輸出電容C放電Ic以及減小的電感電流IL維持(如右圖所示)緩慢下降，若S1一直保持關(guān)斷，則Vout會(huì)最終降至0V；

按上述描述，Buck輸出電壓Vout曲線近似如下左圖所示：

由此可知，通過(guò)控制開關(guān)管S1開啟關(guān)斷的占空比，可以控制輸出電壓Vout的大小（如上圖所示）。

一般DCDC集成芯片內(nèi)部會(huì)集成電壓調(diào)節(jié)電路，通過(guò)芯片輸出端接分壓電阻器將輸出電壓采樣到FB(VFB)端，也就是反饋端，與基準(zhǔn)電壓對(duì)比后通過(guò)運(yùn)放輸出一個(gè)電壓，與三角波對(duì)比，產(chǎn)生PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率管，實(shí)現(xiàn)電壓的閉環(huán)控制。

降壓型(Buck)轉(zhuǎn)換器按整流方式不同，分為異步整流型Buck和同步整流型buck：

非同步整流Buck

以上描述的通過(guò)二極管D來(lái)完成的續(xù)流回路，這種屬于非同步整流型Buck轉(zhuǎn)換器，也叫異步Buck轉(zhuǎn)換器（見上圖“異步整流Buck”）。

續(xù)流回路中采用的是二極管，具有單向?qū)щ娦?，不需要外加電路控制其通斷，因此它只有一個(gè)mos管（或者說(shuō)開關(guān)管）需要用電路控制，也就不用去強(qiáng)調(diào)同步控制二極管，即可以理解為非同步。

因?yàn)槎O管需要一定導(dǎo)通壓降才能導(dǎo)通，如果輸出電流比較大，那么就會(huì)有比較大的額外消耗，另一方面，如果輸出電壓是比較低的時(shí)候，比如說(shuō)是1.2V，那么二極管導(dǎo)通壓降就占了很大的比例。所以在大電流，小電壓輸出時(shí)候效率偏低。

同步整流Buck

另外還有一種就是同步整流型Buck。同步Buck在電路中續(xù)流回路中使用的也是MOS管（Q2），即上下管都是MOS管，因?yàn)镸OS管本身是需要外部控制的元器件，整流過(guò)程中必須根據(jù)電源的開關(guān)時(shí)序同步控制Q1與Q2，所以該電路理解為同步（見右上圖“同步整流Buck”）。

同步Buck的控制較為復(fù)雜，需要額外的驅(qū)動(dòng)電路和控制電路保證電路正常工作，如果死區(qū)時(shí)間處理不當(dāng)，有可能上下管直通，造成MOS管損壞(這是指的是電源控制器外接同步整流MOSFET的情況)。對(duì)于內(nèi)部集成了控制器，上下管的電源管理芯片，由于MOSFET的特性已知，控制和MOSFET集成，可以很好的解決上面提到的控制問(wèn)題，不需要過(guò)多擔(dān)心。

同步和異步的區(qū)別從外部來(lái)看是同步的沒(méi)有續(xù)流二極管。BUCK的輸出電流是分成兩個(gè)部分的，一個(gè)部分是來(lái)自電源，一個(gè)部分是來(lái)自異步電路中的這個(gè)二極管，同步電路把這個(gè)二極管用一個(gè)內(nèi)置的MOSFET給替代了，但是這個(gè)MOSFET的開和關(guān)需要芯片內(nèi)部額外的控制電路來(lái)保持和開關(guān)MOSFET的相位關(guān)系。

從性價(jià)比、可靠性和高電壓輸出場(chǎng)景表現(xiàn)，優(yōu)先選擇異步BUCK電路。從功耗、效率和非連續(xù)工作場(chǎng)景噪聲表現(xiàn)，優(yōu)先選擇同步BUCK電路。

BUCK電路應(yīng)用、特點(diǎn)

BUCK電路作為一種常見的降壓電路，在電源領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

其主要應(yīng)用場(chǎng)景：

電子設(shè)備穩(wěn)壓電源：BUCK電路能夠?qū)⒏唠妷恨D(zhuǎn)換為低電壓，從而為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。例如，計(jì)算機(jī)主板、筆記本電腦、手機(jī)充電器等設(shè)備都會(huì)采用BUCK電路作為穩(wěn)壓電源。

能量回收系統(tǒng)：在某些場(chǎng)景下，電路中會(huì)出現(xiàn)大量的電能消耗，例如電動(dòng)機(jī)制動(dòng)、光伏發(fā)電等。此時(shí)，BUCK電路可以將被消耗的電能進(jìn)行回收，從而提高能源利用效率。

LED驅(qū)動(dòng)電路：由于LED的電壓相對(duì)較低，因此需要將輸入電壓進(jìn)行降壓。此時(shí)，BUCK電路能夠提供穩(wěn)定的電源，并實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的控制。

BUCK電路的特點(diǎn)：

能效高：由于BUCK電路通過(guò)開關(guān)管進(jìn)行脈沖調(diào)制，因此其能效通常比線性穩(wěn)壓電路更高。

輸出電壓穩(wěn)定：BUCK電路通過(guò)電感和電容的協(xié)同作用，能夠保持輸出電壓的穩(wěn)定性。

可控性強(qiáng)：BUCK電路通過(guò)PWM控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

成本低：相較于其他降壓電路，BUCK電路所需要的元器件較少，因此成本相對(duì)較低。

總的來(lái)說(shuō)，BUCK電路具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和較好的性能，能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備提供穩(wěn)定的電源，并提高能源利用效率。

　　審核編輯：湯梓紅