BUCK电路关键器件选型

一、BUCK电路的定义

BUCK电路，又称为降压电路，是一种常见的直流至直流（DC-DC）电源转换技术。它的主要特点是输入电压高于输出电压，且输出电流为连续的，而输入电流则为脉动的。通过调整PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比，可以灵活地设置输出电压的大小和稳定性，满足不同电子设备的供电需求。

二、BUCK电路的结构

BUCK电路的基本结构相对简单但功能强大，主要由以下几部分组成：

1. 功率开关 ：通常使用MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）作为核心元件。MOSFET具有高开关速度、低导通电阻和良好的开关特性，能够快速响应控制信号并实现高效的能量转换。在BUCK电路中，MOSFET的导通和关闭状态由控制电路产生的PWM信号控制，从而调节输出电压的大小。
2. 电感元件 ：电感是BUCK电路中的关键储能元件，它通常采用线圈或电感器的形式。当MOSFET导通时，电感会储存来自输入电源的电能（以磁场能的形式）；当MOSFET关闭时，电感会释放储存的能量，通过二极管向负载供电。电感的这种储能和释能过程是实现电压转换的关键。
3. 电容元件 ：电容在BUCK电路中起到平滑输出电压和减小电压波动的作用。它能够在MOSFET导通时储存电荷，在MOSFET关闭时释放电荷，从而保持输出电压的稳定性。电容的选择需要综合考虑其容量、电压等级和ESR（等效串联电阻）等因素，以确保电路的稳定性和效率。
4. 二极管 ：在BUCK电路中，二极管主要起保护作用，防止MOSFET在关闭时受到反向电压的冲击。当MOSFET关闭时，电感中的电流不能立即消失，此时二极管会导通，为电流提供一个通路，避免MOSFET因承受反向电压而损坏。
5. 控制电路 ：控制电路是BUCK电路中的智能部分，它负责监测和调整输出电压。控制电路通常包括电压采样电路、比较器、PWM发生器等部分。电压采样电路用于检测输出电压的大小，并将其转换为电信号；比较器将检测到的电压信号与参考电压进行比较；PWM发生器根据比较结果产生相应的PWM信号，控制MOSFET的开关状态，从而调节输出电压。

三、BUCK电路的工作原理

当开关管（如S）驱动为高电平时，开关管导通，此时储能电感（如L）被充磁，流经电感的电流线性增加。同时，电容（如C）开始充电，为负载（如R）提供所需的能量。而当开关管驱动为低电平时，开关管关断，储能电感通过续流二极管放电，电感电流线性减少。在这个过程中，输出电压主要依靠输出滤波电容放电以及逐渐减小的电感电流来维持。

四、BUCK电路关键器件选型

1、控制器芯片选型

控制器芯片的选型需要根据实际应用场景进行选择。以下是一些关键的选型考虑因素：

1. 技术参数 ：控制器首先要满足开关电源电路的各项技术参数，如输入电压范围、输出电压范围、输出电流大小等。
2. 工作环境 ：控制器要满足电路的工作环境要求，如温度范围、湿度范围等。
3. 成本控制 ：在成本控制范围内选择适合的电源方案。
4. 模拟控制器与数字控制器 ：数字控制器外围电路简单，在线调试更容易，并可以根据应用灵活配置。模拟控制器则可能需要更多的外围电路和调试工作。
5. 单相与多相 ：根据输出电流大小来选择相数。相数不够则无法满足电流需求，相数过多则成本增加。一般来说，输出电流30A以下选择单相控制器即可；超过30A则增加至2相或更多相。
6. 通信协议 ：对于数字控制器而言，要考虑控制器芯片支持哪些通信协议，以满足主控芯片对于通信接口的分配。

2、功率MOS管选型

功率MOS管是BUCK电路中的关键元件之一，其选型需要综合考虑以下因素：

1. Vds耐压 ：保证实际MOS管工作时DS两端压差小于Vds耐压，避免MOS管被击穿。考虑到电路实际工作时MOS管DS两端的波形会有振铃，Vds耐压一般选择比输入电压高10V以上。
2. Id电流 ：保证输出峰值电流不超过Id。MOS规格书标明的Id电流是基于Rdson和最大功率Pd计算得来的，没有考虑开关损耗，因此不能直接跟MOS的Irms进行比较，需要计算MOS整体的损耗来确定选型。
3. Rdson和Qg ：这两个参数影响MOS管的损耗。原则上上管选择Qg更低的MOS管，下管选择Rdson小的MOS。如果BUCK电路PWM的占空比较大（>50%），上管的导通损耗也不容忽视，需要Qg和Rdson两个参数都小。另外还可以通过降低MOS管的开关频率或者将MOS管并联来降低开关损耗。

3、功率电感选型

功率电感是BUCK电路中的另一个关键元件，其选型需要综合考虑以下因素：

1. 感值 ：电感的感值会影响输出电源纹波和动态响应。电感的感值可使用公式计算得出，其中r是电流纹波率，一般选择0.3~0.5左右。实际应用时需要根据实际测试结果进行调整。
2. 饱和电流Isat ：选择电感时首先要保证饱和电流Isat大于电感电流峰值Ipeak，从而避免电感饱和，感值下降造成MOS和电感损坏。
3. 温升电流Irms ：从电感的工作温度和损耗的角度出发，选型时尽量让温升电流Irms大于电感电流的有效值。
4. DCR（直流电阻） ：如果电源电路使用电感DCR做电流检测时，为了保证检测结果的一致性，电感的DCR精度尽量选择±5%以内。
5. 耐压值 ：根据电路的实际工作电压选择合适的耐压值。

4、滤波电容选型

滤波电容在BUCK电路中起到平滑输出电压和减小电压波动的作用。其选型需要综合考虑以下因素：

1. 容值 ：电容的容值影响滤波和稳压的效果。理论上容值越大，效果越好。但实际上电容的频率-阻抗特性曲线并非线性，不同电容的特性曲线也不一样。因此需要针对不同频段的电源噪声，选择不同容值的电容组合滤波。在BUCK电路的输入和输出端，一般选择大容值的固态电解电容跟小容值的MLCC组合，以实现全频段都有较低的阻抗。
2. 最大纹波电流 ：电容纹波电流有效值要大于实际输入电容的纹波电流。
3. ESR（等效串联电阻） ：电容的ESR主要影响电源纹波，同时也跟电容的纹波电流有效值相关。一般情况下，电容的ESR越小，纹波电流有效值越大。

5、续流二极管选型

续流二极管在BUCK电路中主要起保护作用，防止MOSFET在关闭时受到反向电压的冲击。其选型需要综合考虑以下因素：

1. 反向电压额定值 ：必须等于或大于VIN（max）。
2. 峰值电流额定值 ：必须大于最大电感电流。

6、其他辅助元件选型

在BUCK电路中，除了上述主要元件外，还有一些辅助元件如电阻、保险丝、热敏电阻等，它们的选型同样重要，对电路的稳定性和安全性有着不可忽视的影响。

1. 电阻选型

电阻在BUCK电路中常用于限流、分压、采样等。选型时需要考虑其阻值、功率、精度等参数。

• 阻值 ：根据电路设计需求选择合适的阻值，确保电路正常工作。
• 功率 ：电阻的功率需大于其在电路中的实际功耗，以防止电阻过热损坏。
• 精度 ：对于需要精确控制的电路，如电压采样电路，需要选择高精度的电阻。

2. 保险丝选型

保险丝在电路中起到过流保护作用，当电路中出现短路或过载时，保险丝会熔断，切断电路，防止故障扩大。选型时需要考虑其额定电流、熔断时间等参数。

• 额定电流 ：保险丝的额定电流需大于电路的正常工作电流，但小于电路的短路或过载电流。
• 熔断时间 ：根据电路对保护速度的要求选择合适的熔断时间。

3. 热敏电阻选型

热敏电阻常用于温度监测和保护。选型时需要考虑其阻值-温度特性、精度、响应时间等参数。

• 阻值-温度特性 ：根据电路对温度监测的要求选择合适的阻值-温度特性曲线。
• 精度 ：对于需要精确温度控制的电路，需要选择高精度的热敏电阻。
• 响应时间 ：根据电路对温度变化的响应速度要求选择合适的热敏电阻。

7、散热设计

在BUCK电路中，功率开关（如MOSFET）和功率电感等元件在工作时会产生大量的热量，如果散热不良，会导致元件温度升高，性能下降，甚至损坏。因此，散热设计是BUCK电路设计中不可忽视的一环。

• 散热片选型 ：根据元件的功耗和散热需求选择合适的散热片。散热片的材质、尺寸、形状等都会影响其散热效果。
• 风道设计 ：在电路板布局时，应合理设计风道，确保空气能够顺畅流动，带走元件产生的热量。
• 热敏元件布局 ：将热敏元件（如热敏电阻）放置在靠近发热元件的位置，以便及时监测温度，进行过热保护。

8、测试与验证

在完成BUCK电路的元件选型和布局设计后，需要进行详细的测试与验证，以确保电路的性能和安全性满足设计要求。

• 功能测试 ：验证电路是否能够正常工作，输出稳定的电压和电流。
• 性能测试 ：测试电路的转换效率、输出电压纹波、负载调整率等性能指标。
• 安全性测试 ：进行短路保护、过载保护、过温保护等安全性测试，确保电路在异常情况下能够安全地切断电源。
• 环境适应性测试 ：将电路置于不同的环境条件下（如高温、低温、潮湿等），测试其性能和稳定性。

五、结论

BUCK电路作为一种常见的直流至直流电源转换技术，在电子设备中得到了广泛应用。在设计BUCK电路时，需要综合考虑元件选型、布局设计、散热设计等多个方面，以确保电路的性能、安全性和稳定性。通过合理的元件选型和精细的设计，可以构建出高效、稳定、安全的BUCK电路，为电子设备提供可靠的电源保障。同时，在设计和测试过程中，还需要不断积累经验，优化设计方案，以适应不断变化的电子设备需求。