BUCK電路對(duì)于大多數(shù)電源工程師來說并不陌生，都是耳熟能詳?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，資料也是一搜一大把，但是為啥我要在這里再次談到BUCK變換器這種結(jié)構(gòu)呢？可能大部分的資料內(nèi)容細(xì)節(jié)上有遺漏，這篇文章從最基本的原理入手，一步步討論BUCK變換器的工作模式、器件選型、案例分析。

   一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，基本上是一個(gè)方波發(fā)生器，后跟一個(gè) LC 濾波器。 為了完善我們對(duì)轉(zhuǎn)換器的理解，我們可以將開和關(guān)情況分開。 我們假設(shè)轉(zhuǎn)換器采用電壓控制。 在圖  中，我們可以看到開關(guān)閉合時(shí)間內(nèi)的電流。

開關(guān)閉合期間的導(dǎo)通電流路徑：

在關(guān)斷期間，電感電流保持同向循環(huán)：

導(dǎo)通期間：

   一旦 SW 閉合，L 中就會(huì)發(fā)生電流上升。 將電壓 V 施加到受串聯(lián)電阻器 rLf 影響的電感器 L 通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指數(shù)電流，其變化遵循等式：

   其中 VL 是施加在電感兩端的電壓，rLf 是電感串聯(lián)電阻。由于串聯(lián)電阻 rLf 顯然很小，我們可以嘗試展開上述公式。 我們得到常見的方程：

   如果我們分析導(dǎo)通期間的降壓，電感端子之一Vin（假設(shè) SW 壓降為零），而另一個(gè)直接連接到 Vout。 應(yīng)用方程上述方程對(duì)這種情況意味著電流達(dá)到峰值，這是由 SW 閉合儲(chǔ)能，即導(dǎo)通時(shí)間，表示為 ton。 就會(huì)得到以下方程：

   當(dāng)電流 IL 在電感中流動(dòng)時(shí)，它還穿過電容器 C (IC) 和連接到輸出的負(fù)載 (Iload)。 正如我們已經(jīng)表明的那樣，在平衡狀態(tài)下，所有交流電（交流部分）將流入 C，而直流部分將流入 Rload。 了解這一現(xiàn)象將有助于我們?cè)u(píng)估輸出電壓紋波幅度。

關(guān)斷期間：

   電流已達(dá)到 ton 施加的值，PWM 調(diào)制器現(xiàn)在指示開關(guān)打開。 為了對(duì)抗其即將飽和的磁場(chǎng)，電感器需要將其電壓反轉(zhuǎn)。 由于感應(yīng)電流仍然需要在某個(gè)地方流動(dòng)，在相同的方向上，二極管被激活。 如果我們忽略二極管壓降，電感左端接地，而右端是Vout。 電感谷電流 Ivalley 可以用方程來描述。

   當(dāng)新的時(shí)鐘周期出現(xiàn)時(shí)，SW 再次關(guān)閉，我們最終在公共點(diǎn) SW/D 上得到一個(gè)方波信號(hào)，在 Vin 和 0 之間擺動(dòng)，并由 LC 濾波器進(jìn)一步積分。 現(xiàn)在讓我們通過仿真來揭示所有波形。

BUCK——CCM：

   為了全面了解降壓操作，通過仿真波形進(jìn)行分析：

波形 1（曲線 1）表示 PWM 模式，激活開關(guān)。 當(dāng)開關(guān) SW 導(dǎo)通時(shí)，Vin 出現(xiàn)在公共點(diǎn) SW/D 上。 相反，當(dāng) SW 打開時(shí)，我們預(yù)計(jì)該節(jié)點(diǎn)會(huì)向負(fù)擺動(dòng)。 然而，由于二極管 D 的存在，電感電流對(duì)其進(jìn)行偏置，并出現(xiàn)負(fù)壓降：這是續(xù)流動(dòng)作。

波形 3 描述了電感兩端的電壓如何演變。 根據(jù)上述方程，L 兩端的平均電壓在平衡時(shí)為零，這意味著 S1+S2=0。S1 對(duì)應(yīng)于開啟伏秒?yún)^(qū)域，而 S2 代表關(guān)閉伏秒?yún)^(qū)域。 S1 只是矩形高度 Vin-Vout 乘以持續(xù)時(shí)間 DTsw，而 S2 也是矩形高度 -Vout 乘以持續(xù)時(shí)間 （1-D）Tsw。 如果我們將 S1 和 S2 相加并在 Tsw 上取平均值，我們有

如果我們重新排列方程，我們將獲得 CCM 中眾所周知的降壓直流傳遞函數(shù) M：

在 CCM 中運(yùn)行的降壓轉(zhuǎn)換器的直流轉(zhuǎn)換比：

   如果我們繪制此函數(shù)，以查看 Vout 如何隨 D 演變，我們可以看到上述圖中所示的線性變化。理想狀態(tài)下，傳輸特性與輸出負(fù)載無關(guān)。 稍后我們將看到它并不完全正確。

   另一個(gè)基于零平均電感電壓的簡(jiǎn)單技巧可以幫助加快傳輸比的確定。 首先，讓我們寫出瞬時(shí)電感電壓VL

一個(gè)周期內(nèi)上述等式可以表述為：

   根據(jù)定義，Vout 由反饋回路保持恒定。 然而，公共點(diǎn) SW/D 在 Vin（導(dǎo)通期間）和關(guān)斷期間的 0 之間擺動(dòng)。上述等式因此可以重新定義：

   對(duì)底部波形的仔細(xì)觀察顯示了幾件事。 首先，打開 SW 時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大尖峰。 這是因?yàn)殚_關(guān)通過將 Vin 施加到其陰極來殘酷地中斷二極管導(dǎo)通周期。 如果我們使用 PN 二極管，那么我們需要將晶體恢復(fù)到其電中性以阻止它。 這是通過去除所有少數(shù)載流子來完成的：二極管清除所有注入的電荷，需要一定的時(shí)間來恢復(fù)其阻斷作用。 這段時(shí)間稱為trr。 在二極管完全恢復(fù)之前，它表現(xiàn)為短路。 對(duì)于肖特基二極管，我們有一個(gè)金屬-硅結(jié)，沒有恢復(fù)效應(yīng)。 然而，可能存在較大的寄生電容。 一旦放電（當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)），SW 迅速將 Vin 施加到該放電電容器上，并出現(xiàn)電流尖峰。 努力減慢開啟 SW 轉(zhuǎn)換將有助于降低尖峰幅度。

   第二點(diǎn)與當(dāng)前形狀有關(guān)。 您可以在輸出上觀察到一個(gè)很好的紋波。我們說輸出紋波是平滑的，“非脈動(dòng)的”。 它意味著下游電子電路更好地接受，意味著線路上的污染更少。 另一方面，輸入電流不僅具有尖峰特征，而且看起來像方波。 如果 L 增長(zhǎng)到無窮大，則形狀將是真正的方波。 事實(shí)上它是一種“脈動(dòng)”電流，攜帶大量污染頻譜，比幾乎正弦形狀更難過濾。

作為總結(jié)，我們可以寫一些與 CCM 降壓轉(zhuǎn)換器相關(guān)的評(píng)論：

• 由于D 被限制在1 以下，降壓的輸出電壓總是小于輸入電壓(M＜1)。

• 如果我們忽略各種歐姆損耗，轉(zhuǎn)換比 M 與負(fù)載電流無關(guān)。

• 如前所述，通過改變占空比 D，我們可以控制輸出電壓。

• 在 CCM 模式中降壓會(huì)帶來額外的損耗，因?yàn)樾枰懦龆O管反向恢復(fù)電荷 (trr)。 這被視為功率開關(guān) SW 的額外損耗負(fù)擔(dān)。

• 有非脈動(dòng)輸出紋波，但有脈動(dòng)輸入電流。

• 除非使用P 通道或PNP 晶體管，否則N 通道或NPN 的控制需要特殊電路，因?yàn)槠湓礃O或發(fā)射極浮動(dòng)。

• 短路保護(hù)或浪涌限制是可行的，因?yàn)殡娫撮_關(guān)可以中斷輸入電流。

下一篇內(nèi)容讓我們討論減少負(fù)載，看看波形在不連續(xù)傳導(dǎo)模式下是如何演變的。