BUCK电源工作原理

**工作模型：BUCK电源是一个闭环的控制系统，有一个经典的比喻：输入电容像是高的蓄水池，输出电容是低的蓄水池，电感就像是水杯。把一杯一杯的水从大水池搬运到小水池实现了能量的传递。当输出电压降低，就增加每次水杯中的量或者增加搬运的频率。

电源拓扑：一种合适的电路结构，在电路使能变换过程中按自然趋势发展，在合适的条件下，就可以获得稳定的状态，此后，系统就会保持于稳定的状态。

BUCK芯片内部框图

BUCK之同步与异步

同步与异步：在DCDC降压电路中存在同步整流和异步整流两种工作方式。区分同步和异步的方法就是看拓扑二极管的位置，如果是两个开关管就是同步，两个MOS称为上管，下管。异步就只有一个开关管，另外一个使用二极管。可以这样理解，同步就是控制上下两个MOS控制要同步，上开下闭，上闭下开，避免两个MOS同时导通。而外置二极管的异步却不存在这个问题。

如下为同步整流：

如下为异步整流：

BUCK电源还有一个电容需要单独说明下，就是自举电容：

**自举电容作用** ：由于上端MOSFET需要的栅极电压大于输入电压，因此需要在SW和BS之间连接一个升压电容器来驱动高端栅极。当SW为低电平时，升压电容器从内部电源轨充电。

如上图所示当上管关闭，下管导通时 ，自举电容开始充电，电感开始放电.充放电回路如图标识。这里我们忽略二极管的导通压降，就认为SW点的点位约等于0电平。那么，自举电容充电完成后的电压约等于Vreg5。

如上图当电感储存的能量泄放完，需要驱动上管导通时，而上管的S极是接在SW上，下管也关断，这样就没了回路，我们可以认为上管是悬浮在半空中。只是单纯的让G极输出高电平，并不能让上管导通。自举电容并联在驱动电路两端。正是Cboot，将原本悬浮的驱动电路的两个电源端V+/V-之间建立了电位差。这个电位差刚好是Vreg5(大于Vth)。故上管能够导通。

如上图当上管导通后，A点电位突变为VIN，即V-电位变成VIN（远远高于Vreg5）。如果V+依旧保持Vreg5的电位，那上管就要被迫关闭。正是由于Cboot的存在，Cboot电容两端电压差不能突变，B点电位变VIN+Vreg5。这样对Cboot而言，电压差依然是VCC。对MOS 驱动而言，以A点电位为参考，输出高电平时，Vgs依然是VCC，大于Vth，可以让上管持续导通。

问题：是不是所有的BUCK芯片都需要自举电容？

接下来我们来看看电感：

buck降压电路中，电感起降压、储能作用。

电感伏秒法则（CCM）：

电感电流：

Ipk为负载纹波电流的最大峰值电流，以此值作为电感的最低额定电流值使用，可以有效预防电感饱和，为保险起见实际工程设计时会在此基础上放置1.5倍余量.

电流纹波率r：电流纹波率表示电感电流的交流分量与直流分量的几何比例。电流纹波率将电感的直流分量和交流分量用数学建立了关系。

在Buck变换器中，如果电流纹波率r、最大输入电压Vmax、最大负载电流Imax三个参数确定，其他的参数均能确定。在工程中，r取值范围是0~2，当r为0时，纹波电流为0，这种情况属于理想值，电感需要无穷大。当r为2时，Iac=Idc，此时变换器工作于BCM模式。因此，r仅适用于电感电流连续模式。且在实际设计中一般取r=0.2~0.5。

由电感方程V=L*dI/dt可知电压与电流的斜率有关，与电流的实际值无关。因此，对给定的Von与Voff，可能由多个电流波形，每个对应波形段有相同的dI/dt。每种可能情况，代表一种工作模式如下图所示：

DCM:开关关断期间，电感电流下降，当电感电流下降到0时，下一周期开关导通，电感电流就开始增加。这种工作模式称为不连续导通模式。即每周期内电感中的电流均有为0的阶段。

CCM:开关关断期间，电感电流下降，当电感电流下降到某一非0值时，下一周期开关导通，电感电流就开始增加。这种工作模式称为连续导通模式。即每周期内电感中的电流均大于0。

BCM:在Buck转换器中，开关关断期间，电感电流下降，当电感电流刚好下降为0，下一周期开关导通时，电感电流从0开始增加。这种工作模式称为临界导通模式。

前面我们讲解了buck的工作原理，那么我们在时间应用中，如何做好BUCK电源的设计呢？我们以一个12V输入，输出3.3V/3A举例说明，下图是采用TI-TPS54329实现12V转3.3V/3A电路外围原理图：

从TPS54329规格书中我们可以知道：输入范围为4.5-18V，输出3A开关频率650Khz.我们该如何设计其他参数呢？

我们一般设计buck电路时，需要设计的到计算的，主要有两个部分1.分压电阻，2，电感感值。当然这些参数规格书都会给出参考的值。

当然，如果大家熟悉BUCK芯片的工作原理，熟悉电感的推导过程，其实我们只要知道电源的输入，输出，负载，开关频率等参数，我们自己也可以推导出电感的值，有兴趣的同学可以自己推导试试，这方面的资料很多，我就不在这里赘述了。

设计好BUCK电源的外围电路之后，layout又该注意些什么呢？我想有以下几点需要考虑（可能不完整，欢迎大家补充）

1. 输入电源和地尽量的宽，降低线路阻抗。
2. 将输入电容器和续流二极管，电感置于与IC端子相同的PCB表面层上，并尽可能靠近IC。输出电容靠近电感放。
3. 检测输出电压的部分必须在输出电容器之后或在输出电容器的两端连接。
4. VFB节点的迹线应尽可能小，以避免噪声耦合。保证反馈环路尽量小。
5. 将导线远离电感和二极管的开关节点。不要直接在电感和Q二极管下方接线，也不要与电源线并联。

做好前期设计之后，我们又该如何测试这个电路呢，有哪些参数需要我们去测试呢？分享一个测试用例给大家？