如何实现buck在各种负载条件下正常输出

基本概念

buck电路是我们开关电源中应用较为广泛的拓扑结构，在实际应用的过程中，我们要求不管是输入电压发生变化还是负载电流发生变化，其输出都是要保持相对稳定。如何实现buck在各种负载条件下正常输出，其背后的环路设计的重要性就显得不言而喻。

一个buck电路就是一个电源系统，系统要实现稳定必须依靠内在的控制环路来实现，以峰值电流模式控制的buck电路为例，其负反馈系统可以时刻保持对输出进行采样，通过比较器进行PWM调节，使得输出保持稳定，对于一个buck电路而言，其反馈网络的等效框图可以用下图进行表示：

其中输入电压代表给定Rs，输出电压代表Cs，环路的增益就可以表示为T(s)=X(s)G(s)H(s)，环路的增益包含了功率级的传递函数和补偿环节的传递函数，对于一个具体buck电路系统而言，其补偿环节，功率级，又是如何与等效结构框图相对应的呢？

buck 电路功率级和补偿环节

如图所示Buck环路的功率级主要与输入，输出电容C，电感L 相对应的，其功率级所对应的传递函数可以理解为系统本身所固有的传递函数，电容电感的取值，不同的控制方式，以及负载电流的大小，都可以对功率级传递函数产生影响。补偿环节：主要与comp比较器，上下分下电阻，等反馈环路有关，其决定的系统的补偿传递函数用于调节系统的性能。

buck 电路环路设计的目标

环路设计的目标是要有足够的相位裕量，适当带宽和高直流增益（如下图所示）以次满足系统对稳定性、良好的动态响应的要求。

buck 电路功率级等效模型的建立及其波特图分析

在分析buck功率级回路的时候，我们采用小信号建模法，可以将buck电路的功率级等效为电感作为电流源的控制回路，如下图所示。并且根据传递函数 PS_((S) )＝ v_0(s) /v_c(s) ＝R/R_i (1+sR_c C)/(1+sRC) 绘制出其波特图。其中Rc表示输出电容的esr，Ri是电流的感应增益。单纯看buck电路的功率级，其初始的增益很低不能满足系统相应的准确性，除此外其带宽，以及相角都不能满足设计的要求。

Type- Ⅱ补偿网络

为了弥补buck功率级，我们就需要采用补偿网络对环路进行补偿，这里以我们常用的 电压型Type-Ⅱ补偿网络为例。

可以得到Type-Ⅱ补偿网络的传递函数为由传递函数可知该补偿环节有一个零极和两个极点，画出其波特图，分析其幅频和相频特性可知补偿网络有较高的直流增益，同时相位裕量提高到最大90度，这种特性可以满足绝大部分电源应用的需求。

环路设计

在充分认识和了解buck电路的功率级和我们常用的Type-Ⅱ补偿网络之后，下面将介绍如何放置Type-Ⅱ补偿环节的零极点对buck环路的功率级的零极点进行改造，使得两者叠加后达到我们环路设计的要求。

如下图所示即为控制环路补偿示意图，其中|PS|是buck环路功率级的波特图，与前文提到的不同之处这里是考虑了电感、斜率补偿和采样保持等因素从而得到的更为精确的模型的波特图。|EA|则代表的是Type-Ⅱ补偿网络的波特图，最终通过两者的叠加我们可以得到最终的buck环路的波特图|T|。

通常将Ⅱ型补偿网络的低频零点放置于功率级的低频零点附近，使得补偿后的环路在中频段以-20dB/Dec衰减；补偿网络的高频极点放置于功率级电解电容ESR的高频零点附近，使得补偿后的环路在高频段继续衰减设计使得穿越频率PSFc位于1/20 Fsw。

编辑：黄飞