如何控制buck converter电路的输出电压

上一篇我们开始讨论 buck converter 的电路原理：利用电感储能时的串联压降，可以得到比输入电压低的输出电压。这一回我们要来看看如何控制这个电路的输出电压。

电压与工作周期

根据上次的说明，我们知道 buck converter 和 boost converter 一样，它们都是动态工作的电路，交换开关 SW1 必须不断在导通、断开之间切换，让能量反复储存在电感 L1 中，或是从 L1 中释放出来。

SW1 导通和断开的时间都不能太长。导通时间太长的话会造成电感饱和，电感一旦饱和，就无法再储存更多的能量，导致电感失去电感的特性，变成一个只有很小电阻的组件，流过它的电流就会突然增大；而 SW1 断开时间太长的话，当电感里储存的能量释放完后，就不会再有电流经过 D1 流过回路，这时就没有输出了。

至于 buck converter 的输出电压有多低，比输入的电压低多少，一样是由 SW1 导通和断开之间的时间比例来决定的。这个公式是：

VOUT/VIN= D

D =TON/T

D 叫做 SW1 的 duty cycle，中国大陆翻译成「占空比」，台湾地区则比较常用「工作周期」这个翻译，它指的是 SW1 导通的时间占整个切换时间的比例，因此也可以写成：

D =TON /（TON + TOFF）

由于 D 不可能大于 1，所以根据上面的公式，输出电压只会小于输入电压。

从上面的式子来看，我们也知道降压比和工作周期之间是线性的关系：

Boost converter 的电压公式，因为 D 在分母，所以图画出来是个双曲线，但 buck converter 的电压公式中，D 与降压比呈线性的关系，因此不管 D 在哪一个区间，D 的变化量与降压比的变化量都会呈线性的关系，所以说 buck converter 无论在哪个降压比，控制的稳定性都差不多。

稳压控制

如同其它我们已经聊过很多的电源系统一样，这里的 buck converter 也是的「稳压」电压：它会不断地监控输出电压，并调控电路的运作，让输出的电压维持恒定，无论负载是大还是小。

而知道输出电压与 duty cycle 之间的关系之后，就可以设计控制电路了。

我们将 SW1 换成一个可以用电路控制开关的晶体管，然后再设计一个电压侦测与控制电路。

当我们侦测到输出电压比目标的电压高时，就要把 SW1 切换的 duty cycle 调小；当我们发现输出的电压比目标的电压低时，就要把 SW1 切换的 duty cycle 调大。如此如此周而复始，就可以将输出的电压稳定在一定的范围。

又是 MC34063A

我们之前在介绍 boost cconverter 时，曾经用 MC34063A 这颗历久弥新的交换式电源 IC 来示范 boost converter的设计；同样地，buck converter 也可以用 MC34063A 来设计。

我们先来复习一下 MC34063A 内部的结构：

M34063A 里面有一个可以用电容器控制频率的振荡器、一个 1.25V 的参考电压源、电压比较器，以及最重要的：将电压比较器的输出与振荡器产生的频率结合产生控制讯号的逻辑。

如果我们把 MC34063A 内部的功能画在 buck converter 的电路上，就会是这样：

为什么同样的控制电路，既可以用在 boost converter 上，也可以用在 buck converter 上呢？我们再来比较一下 boost converter 和 buck converter 的电压控制公式：

Boostconverter: VOUT /VIN= 1 /( 1 – D)

Buckconverter: VOUT /VIN= D

在输入电压不变的前提下，不管是 boost converter 还是 buck converter 的输出电压都与 D 呈正相关，也就是 D 越大，输出电压就越高，因此尽管控制的曲线不太一样（boost converter 是双曲线、buck converter 是直线），它们都可以用同样的控制逻辑来控制，也就是「如果电压太低，就将 D 调大一点；如果电压太高，就将 D 调小一点」。

其实从电路运作的原理来看，这个结果是必然的，因为不管 buck converter 还是 boost converter，在 TON 时都是将输入的能量储存在电感中，而在 TOFF 时释放能量；TON 占整体周期的时间越长，相对来说储存在电感中的能量就越多，输出的电压当然就越高。

MC34063A 里面就是用一个震荡电路、一组电压比较器来实现这个逻辑。震荡电路持续产生切换 SW1 所需要的方波，而电压比较器则持续将经过分压之后的输出电压与参考电压 1.25V 比较。如果输出电压小于参考电压，就让振荡器的输出脉波通过，去驱动开关晶体管；如果输出电压大于参考电压，就休兵一下，不要让振荡器的脉波送往开关晶体管。

至于详细的 MC34063A 的震荡电路、电压比较器以及控制逻辑的工作原理，在介绍 boost converter 时已经说明过，在此就不再赘述。没有跟上的读者可以回去翻一下本系列的第三回。

小结

这一回我们看了 buck converter 的 duty cycle 与输入、输出电压之间的关系，以及让 MC34063A 再度登场，并比较了 buck converter 与 boost converter 在控制上的诸多相似之处。下一回，我们要继续用 MC34063A 来设计 buck converter 电路。

审核编辑：汤梓红