【DCDC转换器】BUCK电路的演进

本文将是对BUCK型DCDC转换器的起步介绍，从BUCK电路模型的建立出发，可以对转换器原理有更清晰的认识。其次对三种不同类型开关电源转换器的原理进行计算，转换器的原理基本是类似的，相同的分析方法可以套用在其他模型上。最后引入了开关电容DCDC转换器，即电荷泵类型的转换器。

一、BUCK电路基本模型的建立：

最初，需要从高电压获得低电压，最简单的方法就是采用电阻分压

1. 问题1：如果需要一个作为电源使用的电压，功率需求更大，分压电阻的方法功率损耗很大
   解决1：用一个开关管（三极管或MOS）代替分压电阻，降低损耗，这时只有开关损耗、导通损耗
2. 问题2：在开关打开的一半周期内时，输出端没有能量供给
   解决2：在输出端并联一个电容，存储能量，在开关打开时仍然可以供给稳定的电压
3. 问题3：电容电压具有不突变的特性，因此开关闭合时会产生很大的冲击电流，造成较大的噪声和器件损坏
   解决3：给开关管串联一个限流电阻，减小冲击电流
4. 问题4：串联的限流电阻又引入了电阻功耗
   解决4：用电抗元件（电感）代替限流电阻，电感电流不突变，既抑制冲
   电流又存储了能量
5. 问题5：由于电感电流不突变，开关打开时电感没有续流回路
   解决5：用二极管给电感做一个续流回路
   以上就完成了一个完整的BUCK DC-DC转换器的基本电路模型。
   

二、三种DC-DC电路的原理和计算：

0. 三种电路分析的基本原理：电感的伏秒平衡原理。
   在开关的稳定工作状态下，电路将达到一个平衡，也就是在一个时钟周期内，电感在开态半周期和关态半周期的电流变化量相同。
1. BUCK电路：
   
   
2. BOOST电路:
   
   
3. BUCK-BOOST电路
   
   

三、开关电容的BUCK DC-DC电路：

1. 为什么是开关电容：
   开关电感的开关稳压电路都是以电感为充放电的核心元件，但在集成电路中，电感具有很多缺点：1.电感是具有立体结构的线圈，具有电磁串扰。2.电感在集成电路中不容易集成，并且体积一般较大（1mm²面积仅能做到几nH）。
   虽然开关电感的DC-DC转换器也有其他显著的优点，但由于集成电路对集成度和成本日渐苛刻的要求，开关电感被开关电容取代。
   （下面这张图片来自论文：陈浩，高效双模降压型开关电容DC—DC转换器设计，西安电子科技大学）
   

2. 开关电容BUCK转换器的基本原理：
   开关电容型的转换器，只由电容的充放电来控制输出电压。在一般情况下，可以将其等效为如下电路：
   

S1和S2是由两相不交叠时钟控制的开关管，并且都存在导通电阻。当S1闭合时，开关导通电阻和电容构成一阶RC给电容充电，电压上升；当S2闭合时，同样是一个一阶RC给电容放电，电容上的电压将呈现如下的波形（分为充放电完全的慢开关状态和来不及完全充放电的快开关状态）：

在这两种相对快慢不同的开关状态下，可以计算输出端的等效阻抗：