电源电路BUCK工作原理

1、BUCK电路的定义

BUCK电路是一种基于电感储能原理的DC-DC变换器，其涉及到物理中的电磁感应和电能转换的基本原理。在BUCK电路中，通过控制输入占空比可变的PWM波切换开关管的导通和断开状态，将输入电源提供的直流电压转换为可调的低电压输出，从而满足不同电路的供电需求。

2、基本拓扑结构

在BUCK电路中，开关管周期性地开关，使电感储存能量并将其传递到负载。BUCK电路的输出电压与输入电压和开关管的占空比有关。具体来说，当开关管关闭时，电感中的电流会继续流动，并产生反向电动势，使输出电压增加。当开关管打开时，电感中的电流会继续流动，并产生正向电动势，使输出电压降低。通过调整开关管的占空比，可以控制输出电压。

BUCK电路的输出电压与输入电压和开关管的占空比有关。输出电压可以使用以下公式计算：

Vout=Vin×D

其中 Vout 是输出电压，Vin 是输入电压，D 是开关管的占空比。开关管的占空比可以通过控制开关管的导通时间和截止时间来实现。

1）电感电流的三种工作模式

(1) 电感的工作模式有三种，分别是连续导通模式（CCM）、临界导通模式（BCM）和非连续导通模式（DCM）。

(2) 在CCM模式下，电感电流不会到0，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。在DCM模式下，电感电流总会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。在BCM模式下，电感的导通时间和磁场变化情况介于CCM和DCM之间342.

(3) 以上三种模式的区别在于电感的导通时间和磁场变化情况。在CCM模式下，电感电流从不会到0，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。在DCM模式下，电感电流总会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。在BCM模式下，电感的导通时间和磁场变化情况介于CCM和DCM之间342. (4) 如何选择合适的工作模式

① 选择合适的电感工作模式需要考虑多个因素，例如电路的负载、输入电压、输出电压、开关频率等。在实际应用中，通常需要根据具体的电路参数进行选择。

② 如果需要在高负载情况下工作，连续导通模式（CCM）是一个不错的选择。在CCM模式下，电感电流从不会到0，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。如果需要在低负载情况下工作，断续导通模式（DCM）是一个更好的选择。在DCM模式下，电感电流总会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。如果需要在中等负载情况下工作，则可以考虑使用临界导通模式（BCM），该模式下的导通时间和磁场变化情况介于CCM和DCM之间。

3、工作原理

开关S将输入电压Vin斩波成PWM波，再通过LC滤波器输出直流电压Vout,调整PWM波的占空比，即可得到不同的输出电压。Vout =Vin *D

环路： A. 环路一，开关闭合时的电流路径；环路二，开关断开时的电流路径（经过续流二极管的回路）。闭合环路，变化的电流产生磁场，为了降低EMC，设计PCB时，环路设计应该尽量小，同时，不要干扰了模拟电路，比如反馈回路、增益补偿、软启动、使能电路等。

B. 为了降低功耗，提高降压效率，功率电感应该选取低DCR的，饱和电流为平均电流的4/3（经验值）；续流二极管D选取肖特基二极管，或选择同步降压IC（将MOS作为续流二极管）

C. 为了降低输出纹波，电感、电容需要选择合适的值，一般datasheet有推荐，电感值越大，相对纹波越小，但是，由于电感阻碍电流变化，导致响应负载的速度变慢；电容一般选用铝电解电容与陶瓷电容（低ESR)的组合；高度有限制或对成本不敏感时，可以选择钽电容，钽电容温度特性好，低ESR,寿命长，但成本高，耐压差(耐压最好选择大于2倍的输出电压)

4、常用型号

TI：德州仪器（Texas Instruments）是一家知名的半导体公司，提供各种类型的BUCK芯片，例如LM2675、LM2677、LM2679等。

ADI：ADI（Analog Devices Inc.）是一家知名的半导体公司，提供各种类型的BUCK芯片，例如ADP2384、ADP2385、ADP2386等。

ST：意法半导体（STMicroelectronics）是一家知名的半导体公司，提供各种类型的BUCK芯片，例如L7987、L7986、L7985等。

ON：安森美半导体（ON Semiconductor）是一家知名的半导体公司，提供各种类型的BUCK芯片，例如NCP3065、NCP3066、NCP3067等。

5、选型依据

选取BUCK电路芯片需要考虑多个因素，例如输入电压、输出电压、输出电流、开关频率、效率、尺寸等。以下是一些选型时需要考虑的因素：

输入电压和输出电压：需要根据电路的需求选择合适的输入电压和输出电压。通常，芯片的输入电压范围应该比实际输入电压范围宽一些。

输出电流：需要根据负载的需求选择合适的输出电流。通常，芯片的最大输出电流应该比实际输出电流大一些。

开关频率：需要根据应用场景选择合适的开关频率。通常，开关频率越高，芯片的效率越高，但是芯片的成本也会相应增加。

效率：需要选择高效率的芯片，以减少功耗和热量。通常，芯片的效率越高，发热越少。

尺寸：需要根据应用场景选择合适尺寸的芯片。通常，尺寸越小，芯片的成本越高。

其他一些情况如功耗等。

6、应用场景

电源：BUCK电路可以用于各种类型的电源，例如笔记本电脑电源、手机充电器、LED驱动器等。

汽车电子：BUCK电路可以用于汽车电子中，例如汽车音响、车载充电器等。

工业控制：BUCK电路可以用于工业控制中，例如PLC、伺服驱动器等。

通信设备：BUCK电路可以用于通信设备中，例如路由器、交换机等。

LED照明：BUCK电路可以用于LED照明中，例如LED灯带、LED灯泡等。

7、应用电路

1）、MP1584

2）TPS54331

审核编辑：黄飞