硬件系统工程师宝典（30）-----降压式Buck电路分析

各位同学大家好，欢迎继续做客电子工程学习圈，今天我们继续来讲这本书，硬件系统工程师宝典。上篇我们说到DC/DC变换中的开关调节模式有功耗小、效率高并且稳压范围宽的特点以及DC/DC的指标参数和设计要求。今天我们来分析一下DC/DC中的一个典型电路降压式Buck电路。

Buck电路概述

Buck电路又称为串联开关稳压电路或降压斩波电路，Buck降压电路的原理图如下图（a）所示，为提高开关速度一般采用FET。Buck电路有两种基本工作模式，即电感电流连续模式CCM（Continuous Current Mode）和电感电流断续模式DCM（Discontinuous Current Mode）。电感电流连续是指输出滤波电感电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间电感电流为零，这两种状态之间的临界状态即开关管关断末期电感电流刚好为零。下图（b）、（c）为电感电流连续时的两种开关状态，（d）为电感电流断续时，Buck变换器的开关状态。

​Buck电路原理图及不同开关状态下的等效电路图

Buck电路工作状态分析

下图是Buck电路中电感电流连续时各工作状态的波形图

​电感电流连续时的各工作状态

开关状态1：Q导通，0≤t≤tont=0时刻，Q管导通，二极管截止，此时电感上电压为

导通过程的电流变化：

​开关状态2：Q关断，ton≤t≤Tt=ton时刻，Q关断，储能电感中的电流不能突变，于是电感L两端产生了与原来电压极性相反的自感电动势，此时二极管导通续流，这时电感上的电压为

​关断过程电流变化：

​那么，只有Q管导通时电感L增加的电流等于Q管截止期间减少的电流，才能保证储能电感L中一直有能量，就有：

​考虑开启时间和关闭时间的占空比关系可得：

因此，Buck电路的输出电压平均值与占空比δ成正比，输出电压从0到Vd，且输出电压最大值不超过输入电压。因为ic=iL-io，所以当iL＞Io时，C充电，输出电压Vo升高，当iL＜Io时，C放电，输出电压Vo下降，假设负载电流io脉动很小，那么电感的脉动电流就是电容C的充放电电流。由公式推导可知纹波电压可表示成：

​根据上式可知要降低纹波电压，除了和输入输出电压有关外，增大储能电感L和滤波电容C可以起到显著效果，提高半导体器件的工作频率f也可以收到同样效果。电感电流断续工作方式如下图，即储能电感L的电感量小于临界电感时，电感L中储藏的能量释放太快导致电感中的电流发生断续现象。

​电感电流断续时的工作波形

如上图所示，电感电流断续时工作波形有三种工作状态：

1.Q导通，电感电流iL从零增长到ILmax

2.Q关断，二极管CD续流，iL降到零

3.Q和VD均截止，iL一直为零，负载电流由输出滤波电容供电

Buck变换器的设计步骤

1.选择续流二极管VD，要用快恢复二极管，要注意额定工作电流和反向耐压，并留一定余量。

2.选择开关管工作频率，最好工作频率大于20kHz，以避开音频噪声。工作频率的提高可以减小L、C，但开关损耗增大，效率减小。

3.开关管可选MOSFET、IGBT和GTR。

4.占空比选择，保证输出电压稳定，一般选0.7左右。

5.确定临界电感，根据下式计算临界电感，一般选取临界电感的10倍。

​6.确定电容，考虑耐压超过额定电压，保证能够传送所需的瞬态电流值，电流有效值为

​7.根据纹波要求确定电容容量。8.确定导线满足电流有效值（RMS）要求，电感的电流有效值计算如下：

9.由电流有效值确定导线截面积，由工作频率确定穿透深度，然后确定线径和导线根数。圆铜导线穿透深度为：

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