Buck电路工作原理解析

1、Buck电路原理图

Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路，输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的，输出电流为连续的。如图5.1所示，Buck电路使用开关管Q1将输入的直流电源进行“斩波”，形成方波。利用一个方波控制开关管，让开关管按照控制信号进行通断。调节方波的占空比，控制通过的能量。再对通过开关管的方波进行低通滤波，让直流电压输出。

图5.1 非同步Buck变换器基本电路

其实我们在实际设计过程中，图5.1的电路越来越少被使用。这种Buck电路被称为非同步。同步和非同步的区别从外部来看，是一个多了一个有续流的二极管，一个没有续流的二极管。其实Buck的输出电流分成两个部分的，一个部分是来自电源，一个部分是来自非同步电路中的这个二极管，如图5.1所示D1，只是同步电路把这个二极管用一个MOSFET给替代了，这个MOSFET被称为“下管”，如图5.2所示，图中的Q2替代了D1。但是这个“下管”的开和关需要和开关MOSFET（上管）保持一定的相位关系，大家习惯把这样的关系叫做同步模式。

图5.2 同步Buck变换器基本电路

非同步Buck电路，二极管续流（二极管与电感形成一个通路，二极管为电感保持电流持续，电流从二极管通过）期间，二极管两端的电压相对恒定，表现为二极管正向导通压降。这个特性导致非同步压降电路在二极管上消耗的能量比较大，所以非同步Buck的效率比较低。因为其电路特点不需要复杂的控制，控制器成本也比较低。

同步Buck电路，采用MOSFET，下管续流的期间（上管关闭，下管打开，下管为电感保持电流持续，电流从下管通过），MOSFET表现为D极和S极之间的导通等效阻抗。由于下管的导通阻抗比较小，所以其两端的电压也比较小，消耗在下管上的损耗比二极管也小很多。所以同步Buck电路的效率比较高，相比来说需要额外的控制电路，成本相对也高一些。但是随着芯片的技术发展，同步Buck电路的优势越来越大，所以一般都选择同步Buck，规模效应带来的成本优势逐步明显。

二、Buck电路工作原理

1、基本工作原理分析

在同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为高电平，上管导通，开关管Q2驱动为低电平，下管关闭，储能电感L1被充磁（充磁的压差为Vin-Vout），流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载RL提供能量，电路如图5.3所示。

图5.3 同步Buck上管导通下管关闭

非同步Buck电路中，在上管导通时，二极管反向截止，没有正向电流，等同于关断状态。储能电感L1被充磁（充磁的压差为Vin-Vout），流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载RL提供能量，如图5.4所示。

图5.4非同步Buck上管导通

在同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为低电平，上管关断，开关管Q2驱动为高电平，下管导通，储能电感L1通过下管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，电路如图5.5所示。

图5.5同步Buck上管关闭下管导通

在非同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为低电平，上管关断，二极管处于正向导通的状态，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，电路如图5.6所示。

图5.6非同步Buck上管关闭二极管续流（下MOS更换为二极管）

在同步Buck电路中，最理想的状态是上管关闭的一瞬间，下管打开；下管关闭的一瞬间，上管打开。如果能严丝合缝，没有一点点时间差，则上面两个状态就足以把同步Buck电路工作起来了。但是MOSFET不是理想的开关特性，它在关断到导通的过程中存在一个过渡的过程就是一个放大区，介于完全关断和完全导通之间的一个状态。另外控制时序也是不理想的，不可能做到“严丝合缝”。也就是说，两个驱动器在时间上是非常难控制到精确的同步。我们有一个状态是必须要避免的，就是上管和下管同时打开。此时，Vin通过两个打开的MOSFET直连到GND，形成了短路。这种直通的现象，即会损坏MOSFET，也会导致Vin短路而损坏前一级供电电源，如图5.7所示。

图5.7同步Buck不应该出现的状态“直通”

为了避免这种直通的现象，电源控制器在设计的时候，会故意让上管和下管切换的时候，多等一会。宁愿出现两个管子同时关断的状态，也不愿意出现两个管子同时导通的状态。如图5.8所示，UGATE是上管的控制信号，LGATE是下管的控制信号。第一个状态是下管导通，上管关闭，需要切换状态的时候，先关闭下管（两个控制信号都为低电平）。下管关闭的过程需要一个时间tFL ， 关闭的过程上管保持关断。两个开关管都处于一个关闭的状态，此时至少没有短路的风险。

图5.8同步Buck的控制时序

等待一段时间（t LGFUGR ）之后再打开上管，这个等待的过程，就叫做“死区时间”。那么这个过程，电感的一端似乎就悬空了，没有电流回路了，其实不然。

在“死区时间”的这个时间段内，下管二极管虽然没有被导通，但是他本身有一个寄生的二极管。这个二极管可以像非同步Buck电路一样帮助电感续流，如图5.9所示。但是这个时间非常短暂，所以产生的功耗没有那么大。

图5.9同步Buck死区时间电流路径

同样的过程发生在上管关闭后，需要等待一个时间（t UGFUGR ），然后再打开下管，如图5.7所示。