2229字，學習BUCK降壓電源電路

原文來自原創暢銷書籍《硬件設計指南 從器件認知到手機基帶設計》：

在電子電路中，電源一般分為兩類，一類是線性電源，一類是開關電源。線性電源具有電路簡單、面積小、噪聲小等優點。開關電源雖然噪聲大、面積大，但是具有效率高和熱損小等優點被廣泛應用。

開關電源還可以細分為降壓型、升壓型和升降壓幾類。也可按照隔離、非隔離，或者同步、非同步再進一步細分。在手機、電腦等消費電子領域，降壓型BUCK電源應用非常廣泛，是電源工程師的入門課。

公眾號[工程師看海]，后臺回復關鍵詞：buck仿真文件，獲取仿真文件

圖2-1 (a)是DC-DC BUCK降壓電源的原理圖，如果不搞懂BUCK的原理而只按照官方參考原理圖來設計的話，可能不會得到一個優秀可靠的電源，我們一定要以一個更深入的角度看待問題，只有這樣，個人能力才會有提高。

(b)是芯片內部的功能框圖，我們可以看到有兩個MOS Q1和Q2，這種有兩個控制MOS的BUCK被稱為同步BUCK，異步BUCK中使用二極管代替Q2，把圖中的開關部分和外圍電感提取出來就構成了圖2-2 的經典的異步BUCK拓撲圖，圖2-2 中的S對應圖2-1 的Q1，圖2-2 中的D對應圖2-1 中的Q2。

圖2-1BUCK原理圖與內部框圖

下面就介紹降壓型BUCK電路的基本工作原理，并進行原理仿真。為了把我們的主要精力放在理解BUCK原理上，我們選擇非同步BUCK進行開環分析，也就是電路中只有一個開關管，由二極管對電感進行續流放電，見圖2-2 ，簡約的東西經過組合往往會迸發出不可思議的結果，BUCK就是這樣的電路。

圖2-2BUCK電源拓撲

圖2-2 中，當開關S導通時，SW電壓為高電壓，等于Vin，Vin給電感L充電，流過電感L的電流逐漸增加，充電電流路徑如圖中虛線箭頭所示，電感電流充電波形見圖2-3 ，SW高電平時電感處于充電狀態。

當開關S斷開時，SW為低電平，電感L通過負載和二極管D放電，電感L的電流逐漸減小，放電電流路徑見圖2-2 實線箭頭部分，電感放電波形見圖2-3 。

BUCK的基本工作過程就是對電感充放電的過程。

這里有個小說明，在同步BUCK中D會被開關代替，以提高效率。在S斷開時，SW位置的電壓是0，但是本章中使用的是續流二極管，則在S斷開時，SW其實是有一部分的負電壓的，差不多是-0.7V，這個問題在2.5.1節會有詳細介紹。

圖2-3BUCK開關節點電壓波形和電感電流波形

下面推導BUCK輸入、輸出電壓的計算關系，我們先不用管什么伏秒特性，只看最基本、最本質、與電感有關的公式：

V是電感兩端的電壓，L是電感量，△I是電感兩端電流的變化量，△t是經過的時間，將公式(2-1)變換得到公式(2-2)：

在BUCK建立穩態后，一個開關周期內，電感充、放電的電流是相等的，T*D是充電的時間，T*(1-D)是放電的時間（T為開關周期；D為占空比，就是開關（上管）導通的時間占整個開關周期的百分比），在穩態時電感充放電是相等的，可得到公式(2-3):

在充電時可得到公式(2-4)，充電時電感兩端的電壓等于Vin-Vout，

同樣的道理，可以計算得到放電過程電感電流的變化量：

聯立2-3、2-4、2-5整理得到：

非常簡單的計算過程，一點也不復雜。從公式(2-6)可以看出，由于D是小于1的數，因此輸出Vo是小于輸入Vi的，因此BUCK是降壓電源。

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下面看下基于Multisim軟件的BUCK原理仿真，本書中所提供仿真電路僅供交流學習使用，實際工程要考慮的參數、因素太多，本書只關注所涉及的知識內容。仿真原理圖見圖2-4 ，輸入電壓Vin=10V，開關頻率為2kHz，10Vpp方波，占空比是50%，電感取2.2mH。

圖2-4BUCK電源仿真

圖2-5 是在BUCK電源輸出端并聯了47uF電容后的結果，紅色方波是開關節點SW位置電壓波形（方波的-0.7V電壓在2.5.1節有詳細介紹），黑色平滑曲線是輸出的電流波形，也就是電感充放電的電流波形。通過開關管對電感充放電，可以明顯看到電流充放電時的平滑三角波形（電容有濾波效果）。輸入電壓是10V，占空比是50%，測試得到輸出電壓DC值是4.3V，接近公式2-6推導的10*50%=5V，思考：為什么計算和仿真相差0.7V呢？

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圖2-6 是斷開C1 47uF電容的仿真結果，黑色電流曲線更接近三角波（無電容濾波效果），輸出電壓的紋波也會跟著變的陡峭。當改變輸出電容時，有助于緩解輸出電壓的紋波，然而由于BUCK開關架構的先天特點，此紋波無法消除，只可以對它的紋波進行抑制。

同時，我們也可以看到由于續流二極管的存在，當開關斷開后，紅色波形有小段的負電壓，這個負電壓大約是-0.7v，這是和二極管相關，接近二極管的導通電壓。與此同時，由于此二極管的存在，輸入輸出關系也略微改變，導致輸出輸入關系與公式2-6略有差異。這個二極管是會消耗能量的，為了進一步提升BUCK電源的效率就出現了同步BUCK電路，將續流二極管更換為開關管就可以得到同步BUCK電源。

以上就是BUCK降壓電源的原理介紹。

圖2-5并聯47uF輸出電容時仿真波形

圖2-6沒有輸出電容時仿真波形