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『本文为通信电源：开关电源：系列文章』 文 | @通信M班长 降压(Buck)型电路，隶属于非隔离型DC-DC变换电路。它是最简单的开关电源转换器技术之一，经常用于RAM、CPU、USB等。 如果不学习Buck，你将错过很多有意思的分析方法。  图1 为什么叫做Buck电路? So，为什么叫做Buck电路？文末给出答案。 本文目录
基础概念Buck变换器适用于直流输出电压低于直流输入电压的开关电源电路。其电路示意图2如下所示：  图2 Buck转换器示意图 其中Ui为直流输入，可以是电池、直流电压源，也可以来自整流器Rectifier，见图3。 S为开关，可以实现自动开通与关断，见图3中的Switching Transistor开关晶体管。 VD为续流二极管，L为电感，C为电容，R为负载。 iL为流过电感的电流，Uo为输出电压。  图3 整流电路、Buck降压电路 电路中输入和输出之间的开关晶体管(Switching Transistor)在以很高的频率开通'ON'和关断'OFF'。 根据前期所学知识，电感两端的电流不会突变，所以即使在开关管(Switching Transistor)关断期间，因为存储在电感L中的能量，电感可以继续为负载供电。 图3蓝色虚线框中的电路常备称作为飞轮FlyWheel，因为它就像一个机械飞轮，输入有规律的能量脉冲，以稳定的速度平稳地旋转(输出能量)。 ㈠当晶体管接通时，电流通过电感L1流过负载Load，电容C1充电Charging。 在此期间，二极管D是反向偏置，将不会是电路的一部分。 最初，电感抵抗电流的变化，因此，随着磁场的扩大，电流对负载的影响会逐渐增大。 同时，电容器上的电荷逐渐累积到电源电压。  图4 开关导通时候的电流走向 ㈡当脉冲变低时，开关晶体管被关闭'OFF'。 在晶体管处于ON状态时形成的磁场，现在开始崩溃，并将能量释放回电路，使电流在电路中通过负载和二极管。 一旦电感器的能量被完全利用，电容器就开始放电，并充当主要的电源，保持电流通过负载，直到下一个'ON'周期开始。 当晶体管打开'ON'时，它将再次向电感、电容器和负载提供电流，并继续工作。  图5 开关关闭时候的电流走向 输出电压取决于开关时间，即方波脉冲的占空比，输出电压的计算公式为： Uo=DUi 推导过程见附录1。 使用Buck转换器，我们可以达到90%以上的转换效率。因此，其经常使用在计算机系统中，将12V电源转换为典型的1.8V(用于RAM、CPU和USB)。 仿真实验设计了一个Buck变换器，输入电压V1=20V,输出电压Uo为5V，负载电阻R1=10Ω，开关工作频率为10kHz。如图6所示。  图6 仿真Buck电路 那么电感选择为0.375mH，电容选择500μF(如何确认参数？，参考附录一) 输出波形如图7所示。浅蓝色为输入电压Ui，一个10kHz的脉冲信号，有些尖峰，并不是纸上说的理想电压。 绿色为电感电流iL，当开关导通时候，电流线性上升；当开关关断时候，电流线性下降。 红色为输出电压，由于电路相关损耗，实际输出电压并未达到5V，大约为4.7V。  图7 BUck电路的输出波形，并没有书上说的那么理想化 附录1：定量分析与输出效率曲线假设开关无损耗，输出直流电压Uo保持稳定。 先说「两条基本定理」
这两条定理为分析开关电源的基础，可以通过电容电压的定义证明，如果感兴趣的同学可以自己证明。 ㈠电感电流连续的情况  图8 电感电流连续的情况 所谓电流连续，就是电感电流增加，然后减少，然后再增加......每个周期之间可以相互“衔接”上。 ton为开关导通时间，toff为开关关断时间，T为ton+toff开关周期； 占空比D=ton/T； ①当时间t∈[0,t1]，该时间段开关导通，电感两端电流iL不断增加，开关两端电压uS为0(认为开关理想) 流过开关的电流iS等于电感两端电流iL； ②当时间t∈[t1,t2]，该时间段开关关断，电感不会容许电流突然截断的，必然开始转化能量，为负载供电。 所以iL逐渐变小，开关两端无电流iS=0，两端电压就是电源电压Ui。 那么此时，我们可以求得电感两端电压UL：  电感两端电压UL(本文如无特殊说明，电压和电流都是指平均值)，等于开通时间和关闭时间电压之和，再求平均，如公式(1)所示。 那么公式(1)中，令UL=0(基本定理1)，可以推导出公式(2)，D=Uo/Ui； 因为占空比D肯定小于1，0≤D≤1，所以输出电压Uo必然小于输入电压Ui，所以Buck电路是个降压变换器。 ㈠电感电流不连续的情况 所谓不连续，就是图9中iL波形所示，本来t1到t3时间段都可以进行放电，但是放到t2时刻电流就为0了。  图9 电感电流不连续的情况 开关处于toff阶段∈[t2,t3]的时候，电感电流iL在t2时刻就已经放完电了，电流为0，此时是电容继续给负载供电。 那么我们就需要关注一点，就是电感电流iL恰巧在toff的最后时刻放完，在此条件下，我们可以推导出电感电流连续与否的临界参数。 参见图10，就是临界状态，iL波形在t2时刻正好放空自我。  图10 电流临界连续的波形 我们知道，电感两端电压uL正比于电流iL的变化率，所以当开关导通阶段，uL等于电源电压Ui减去输出电压Uo。 同时，如果电感电流连续，那么在整个开关周期Ts内，电感电流IL等于输出电流Io，Io=IL。 因为期间没有让电容'帮忙'。 思考一下，如果向图9那样，电感在周期内有一段电流iL为0(t2~t3)，此时负载电流Io可没闲着啊，电容在给它放电，那么必然Io>IL。 具体推导过程不再详述，直接给出结果： 1/RT≥(1-D)/2 (3) 如果满足公式(3)的条件，那么电感电流连续，否则电感电流会在周期内不连续。 同样的，根据图10可以推导出“电感电流不连续”时的输出效率 当电流断续时候，电压比(输出效率)与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和Ts有关。 为了得到降压型电路在电感电流连续和断续条件下电压比的直观印象，图11给出了D取不同值时，电压比与负载R之间的关系，其中TsR/L是将负载R按照L/Ts进行归一化后得到的归一值。 采用归一化的好处是该图形具有普适性，可以适用于具有任何滤波电感L和开关周期Ts的降压型电路。 图11 BUCK降压电路的输出效率曲线 电感电流连续时候，电压比为Uo/Ui=D。电流断续时，总是有输出效率抬高。 输出空载，即电阻无穷大时候，电压比趋向于1，Ui=Uo。 |
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