Buck基本原理及调制方式

一、Buck架构

1、异步Buck

图1

如图1，异步BUCK由输入电容C1、开关管Q1、储能电感L1、输出滤波电容C2、续流二极管D1和负载组成。

为了后面公式计算，我们在这里定义参数，文中均统一：输入电压Vin、输出电压Vout、电感电流IL、电感电压VL、导通时间Ton、截止时间Toff、电感值L、开关频率fs、占空比D、开关周期为T

电路工作时，由PWM信号控制开关管Q1导通和关闭；在开管Q1导通时，续流二极管不导通，输入电压Vin给电感L1储能，由滤波电容稳压；我们知道电感阻碍电流变化，根据楞次定律可知电感升压公式，电压VL=L*di/dt；此时电感两端电流VL=Vin-Vout，因此电感电流的变化率di/dt=L/(Vin-Vout)；可知Q1导通时电感电流是线性增加的，斜率为L/(Vin-Vout)，是一个常数；

Q1关闭时，电感中储存的能量通过续流二极管D1形成回路给负载继续供电；电感需要释放存储的能量，此时电感产生反电动势使得续流二极管导通，续流二极管的负极电压为-Vd（电感左边节点），而电感右边节点是Vout，因此电感两端电压VL=-Vd-Vout，同理，电感电流的变化率di/dt=L/(-Vd-Vout)；可知斜率是负的，电感电流线性减小。

开关电压、电感电流、开关电流以及二级管电流如下图所示：

图2

2、同步Buck

图3

如图3，同步Buck由两个MOS开关、储能电感、以及输出滤波电容组成，电路工作时，由PWM信号控制两个MOS管轮流交替导通，从而控制电感充放电，可以看出，与异步Buck架构区别是同步Buck使用MOS开关替代续流二极管。

在PWM信号周期中，当Q1导通，Q2断开，输入电流从Q1到电感充电，电感电压为VL=Vin-Vout，电感电流线性增加；

当Q1断开，Q2导通时，电感通过电容与Q2形成放电回路，此时电感电压为Vout。

同步Buck的充放电过程的计算与异步Buck类似，对应的电感、MOS电压、电流波形此处不再赘述。

3、同步Buck优缺点

优点

①毫无疑问，同步Buck的效率高是其最大优点，异步Buck在续流器件的损耗是IaVd(平均电流与导通压降相乘)；而同步Buck的续流损耗来源于MOS的Rdson，一般都是几毫欧~几十毫欧，按照I2R计算损耗也是远远小于异步Buck；

②一般MOS都是集成在芯片内部，不需要额外的PCB面积，Layout工程师最爱。

缺点

①为了防止上下管同时导通的情况，需要对死区时间做控制，设计会比较复杂。

②同时，由于MOS价格比二极管高，而且需要控制电路，所以成本高。

二、脉宽调制方式

开关电源是按照一定的开关模式，不断开启和关闭开关，即对应的调制模式，一般有PWM、PFM、PWM-PFM三种调制模式。

1、PWM调制

PWM是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），信号频率固定，改变的是占空比；PWM模式由误差放大器、锯齿波和比较器构成，误差放大器将输出反馈电压FB与基准电压差值放大，产生比较器需要的参考Vref电压；信号发生器产生固定频率的锯齿波；比较器输入为锯齿波和参考电平Vref，输出为VCC（开启电压））和GND；而通过改变参考电压Vref，即可改变占空比，如下图：

图4

PWM模式开关频率由锯齿波信号决定，占空比由前端反馈的误差电压信号决定，在重载工况效率比较高，输出纹波频率稳定，因此比较容易设计滤波电路。

但是在轻载工况下，效率较低，由于误差放大器的影响，在具有快速瞬态响应和高稳定性要求下需要有较好的补偿网络设计。

2、PFM调制

PFM是脉冲频率调制，信号占空比固定，改变的是信号频率。当电压输出电压较高时，关闭输出，输出电压较低时导通输出。

PFM模式静态功耗小，在不同工况下均有良好的效率，不过由于频率不固定，输出滤波器设计难度大，有EMI问题，纹波较大，而且可能会有频率导致人耳能听到的噪音。控制电路相比PWM更加负载，成本较高。

三、芯片内部架构

图5

如上图是TI的TLV62130RGTR，从规格书里面截取的芯片内部框架，不同厂家的设计大同小异，以此为例：

1、功率模块

功率模块主要由上下MOS管、MOS管驱动搭配外围电路的输出储能电感、滤波电容、自举电容等组成。

2、反馈比较模块

反馈比较模块包含电压比较控制和电流控制，电压反馈是提取反馈电压FB与误差放大器的基准电压做差值放大，从而控制开关信号，从而稳定输出电压，同时某些芯片也会做输出过压/欠压保护；

电流反馈控制是用来做过流保护，同时也可以用来检测电感电流是否过零点，判断芯片是否进入轻载高效模式。

说到反馈比较模块不得不提到带隙基准，作为误差放大器的基准参考源，是由正温度系数和负温度系数的电路构成的基准电压，不受电压和温度影响，仅由BJT/MOS的尺寸决定，主要是为其他电路提供稳定准确的参考源。详细原理请参考《模拟电子技术第六版-康华光版》第七章第一节关于电流源的讲解。

3、欠压保护

为了避免芯片工作在较低电压导致芯片异常，通常芯片会做输入欠压保护机制，当输入电压低于保护点时，芯片不进入工作状态。通常是使用迟滞比较器设置门槛保护点，从而控制开关逻辑。

4、过压保护

为了避免芯片工作在过高电压下工作导致芯片损坏，输入过压保护使芯片输入电压高于某一电压值时，芯片会关断输出进入过压保护状态，输入电压恢复到保护点以下再正常输出，不过如果输入电压过高，即使关断输出芯片也可能会损坏。

5、过流保护

为了避免SW引脚输出大电流损坏芯片，芯片会检测SW的最大电流，当Ipeak触发过流保护点，芯片会关断输出，输出电压会下降；有些芯片会限制Ipeak值，那么在负载增大时，电压也会下降。

6、过热保护

为了避免芯片由于温度过高损坏，当温度达到芯片保护点时，会触发热保护机制，关断SW引脚输出，温度降低后再恢复。一般是利用BJT的Vbe温度特性和施密特触发器来设置保护点，从而控制开关逻辑。

7、软启动

软启动是用来控制芯片开始工作时输出电压的上升时间，测试取10%90%输出电压的上升时间，一般在500us10ms；可以保证系统容性负载较大的情况下，减小冲击电流保护芯片；部分芯片软启动时间可以通过硬件/软件修改，有的是固定不可调的；

8、EN使能

一般是控制EN引脚来控制芯片是否工作，本质是一个施密特触发器，使能电压高于门限电压，芯片工作。通常为了调节系统电压时序，可以通过调节并联电容调节时序。

四、外围电路

图6

如上图，是某Buck芯片的应用电路设计，外围电路包含以下：

1、供电输入

VIN输入脚需要保证不管芯片在什么状态下，输入电压都不得大于最高工作电压的80%，输入主要是输入电容，输入电容容值根据输入纹波电压、输出纹波电流等要求做计算，详细计算后文单独讨论；一般由低ESR的MLCC电容大小搭配，以减小等效ESR，并改善输入噪声；如上图C77、C78、C79、C80、C81，电容尽量靠近芯片引脚，尤其是高频电容。保证输入-芯片-功率地路径最短，一般铺铜走线。

2、自举电路

NMOS主回路电流是D到S极，导通条件是Vgs大于开启电压Vth，主回路是S极到D极，导通条件是Vsg小于Vth；因此一般将PMOS作为上管，VIN接S极，G给低电压即可导通，而NMOS作为下管，S极接地，只要给G极一定的电压即可导通；

但是现在很多芯片是用NMOS作为上管，此时上管S极已经是VIN，则需要G极大于VIN；此时就需要自举电容，利用电容两端电压不能突变，抬高G极电压，保证上管导通。如上图C69

为了改善EMI问题，通常会预留串接Rboot，如图R317，前文已提过改善Buck的方法。

3、使能电路

如图R316、R41构成分压，可以调节上下电时间；同时增加C57和R316构成RC延时，可以减缓系统上电，在对时序要求比较高时可以通过调节电容来微调时序。

有的同学在设计时是直接把VIN接到使能脚，需要注意的是要看芯片规格书，有些芯片内部的使能脚是有稳压管的，就不能直接接到VIN；

也有要求芯片上电时序软件可控，则可以把EN连接到主控，使用软件控制。

综上，EN脚一般有几种控制方式

①EN直接悬空，芯片带有float to enable功能的则会内部上拉接到VIN

②通过主控的GPIO控制

③电阻分压控制

④RC延时控制

⑤多电源协作，比如使用5V来使能3.3V的EN

4、取样电路

DCDC芯片反馈网络一般由两个分压电阻构成，如图R42、R313，Vout通过电阻分压输入至芯片的FB引脚，此引脚是接到芯片内部的误差放大器，与基准电压作比较，从而实现占空比控制。

两个电阻值大小会影响功耗、响应速度和噪声敏感度，应该与规格书取样电阻值相近。

部分系统为了降低整机功耗，通常会采用SVB技术，即动态调压技术，在芯片上电过程中，对满足场景的电压值进行微调，从而降低功耗。如下图：

R377和C323构成RC积分电路，将主控的PWM信号积分成直流电压

R377要远小于R376，否则会影响电压调节范围

图7

FB信号经过取样电阻后比较敏感，因此走线一定要避开干扰源如SW信号或其他高频信号。

5、前馈电容

如图C82电容，如果电路没有此电容，反馈网络由上述分压电阻组成，当增加前馈电容后，反馈网络引入一对低频零点和高频极点，可以提升电源的带宽和响应速度，在针对后级突然负载增加造成电压跌落的情况，可以合理使用此电容。不过前馈电容的增加会恶化环路的相位裕量，因此需要测试环路稳定性。

6、RC吸收

前文提过的RC吸收电路，抑制开关的电压浪涌，改善系统EMI，上图电路没有添加，一般是RC加在SW引脚对地。

7、补偿电路

内部运放的输入和输出端需要有阻抗形成负反馈网络，可以使用电容或者电阻加电容，改变穿越频率点，破坏自激振荡条件，有利于环路稳定性。

8、输出LC

输出电感储能放电，与滤波电容构成Buck的基本拓扑，不做详述。

**9、其他

**

部分芯片有调节开关频率、IIC程控等功能

本文讲了Buck基本原理、调制方式、芯片内部模块以及外围电路等内容，仅冰山一角，待持续更新。