BUCK电路的组成及工作原理

BUCK电路分析(一)

一、电路组成

如图1所示、异步BUCK电路主要有MOSFET场效应管(Q1)、功率二极管(D1)、电感(L1)、输入电容(C1)、输出电容(C2)、负载(R1)、组成;用MOSFET场效应管(Q2)替换功率二极管(D1)就组成了同步BUCK电路，如图2所示。

图1 异步BUCK电路

 

图2 同步BUCK电路

BUCK的电路，也称降压电路，其基本特征是：

(1)、DC-DC转换电路、输入直流、输出也是直流;

(2)、输出电压小于输入电压;

(3)、BUCK转换电路实现的是将输入电压转换为一个比输入电压低的电压并输出。

在同等条件下、同步BUCK电路与异步BUCK电路相比。同步BUCK电路用更高的转换效率，使用MOSFET场效应管(Q2)替换功率二极管(D1)，是因为功率二极管(D1)存在相对较高的电压降、电流流过时会产生较大的损耗、而MOSFET场效应管的导通电阻Rds(on)和 开关产生的损耗相对低。因而同步BUCK电路效率相对高。

二、工作原理

由图1、图2可知，要使BUCK电路输出电压。需要控制MOS管的开通与关断;而控制方法有PWM脉宽调制法和PFM调频法;以下将以PWM脉宽调制法来控制MOS的开通与关断，并分析在电路在工作中的状态、波形、参数计算与分析。为了方便分析，作如下假定：MOS管、二极管都是理想二极管，导通时相当于短路、截止时相当于断路。电感、电容也是理想元件，只考虑其本身的感抗和容抗。BUCK电路的工作状态可根据电感电流是否减少到零 ，可分为连续电流模式(CCM)、断续电流模式(DCM)、临界电流模式(BCM)。以下将针对不同的工作模式进行稳态计算分析。

1、连续电流模式(CCM)

图3 PWMH 为高 电流流向

如图3所示，当PWMH为高时，(Q1)到导通，(D1)反向截止;直流电压(Ui)通过(Q1)为电感(L1)储能并为负载提供能量，这一过程中由于 Ui > Uo, Ui - Uo 的电压加在电感上，在电感没有饱和前，电感电流线性增加，电感储能;由此可计算电感电流增加量，

 

图3 PWMH 为低 电流流向

图4所示，当PWM为低时，Q1截止，电感电流线性减少，由楞次定律可以电感L1上会产生一个“右正左负”的感应电动势，此时电感(L1) 电容C2释放能量通过整流二极管为负载供电，整流二极管正向导通。

由电感特性以及上述计算式可知，对于一个电感值固定的电感来来说，电感电流的增加量或者减少量的大小取决于时间长度乘以对应时间内的电压，我们称之为伏秒积;对于一个稳定工作的电路，在一个周期之内电感的伏秒积必须为零。如果电感电流增加量一直大于减少量，则电感电流会一直增加，不能达到平衡状态。在一个周期内电感的平均电压也为零。

定义PWMH为高时，Q1开通时间为t(on);PWMH为低时，Q1截止时间为t(off);一个PWM周期就是 Q1开通时间与关断时间之和，定义Q1开通时间占这个PWM周期的比例定位PWM占空比 D 那么PWM的周期 T 和 频率 F 就是 ：