BUCK电路工作原理以及参数设计

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什么是Buck电路?

BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输出电压UD。

通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

BUCK也是DC-DC基本拓扑，或者称为电路结构，是最基本的DC-DC电路之一，用直流到直流的降压变换。

BUCK和BOOST使用的元件大部分相同，但是元件的组成却不尽相同。

如下图所示，BUCK电路中T是全控元件（GTR，GTO，MOSFET，IGBT），当t∈[0，DT]时，T导通。

简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。

可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。

BUCK的基本结构

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）。

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。

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。

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基本结构

将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。

Q导通：

输入端电源通过开关管Q及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电。电感相当于一个恒流源，起传递能量作用。电容相当于恒压源，在电路里起到滤波的作用。

Q断开：

电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

BUCK电路的参数设计

电感的参数

电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。

在临界不连续工作状态时：

所以越大，进入不连续状态时的电流就越小。

电容的参数

电容的选择必须满足输出纹波的要求。

电容纹波的产生：

1. 电容产生的纹波： 相对很小，可以忽略不计；

2. 电容等效电感产生的纹波：在300KHZ~500KHZ以下可以忽略不计；

3. 电容等效电阻产生的纹波：与esr和流过电容电流成正比。为了减小纹波，就要让esr尽量的小。