BUCK电路手册笔记.

1.1BUCK 电路的简介

串接晶体管的高功耗耗和笨重的工频变压器使得线性调整器在现代电于应用中失去了重要地位。而且高功耗的串接元件需要的大散热片和大体积储能电容增大了线性调整器的体积。

随着电子技术的发展，电路的集成化使得电路系统的体积更小。一般的线性调整器输出负载的功率密度仅为0.2~0.3W/in 3，不能满足电路系统小型化的要求。而且线性电源不能提供数字存储系统所需要的足够长的保持时间。

取代线性调整器的开关型调整器早在20世纪60年代就开始应用。一般的，这些新的开关电源使用开关晶体管将输入直流电压斩波成方波。方波由占空比调节，并通过输出滤波，得到直流稳压电源。

滤波器一般由电感和输出滤波电容组成。通过调节占空比，可以控制经过电容滤波输出电压的平均值。而输出电压的平均值等于方波的有效值。其基本拓扑如图1.1.采用的是恒频的工作方式，这种模式下的工作方式，功率开关管的通断频率f 不变，即周期T 不变，通过调节占空比（T T ON /）来调节输出电压。

注：T ON /T 一般称为占空比，即一个周期内的导通时间ON T 占周期T 的百分比。在某些书中也可以采用)/(OFF ON ON T T T +来表示。OFF T 为功率开关管的关断时间，OFF ON T T T +=。

1.2 BUCK 电路的基本工作方式

1.2.1 BUCK电路的基本框图，如图1.1

图1.1

1.2.2 BUCK电路的基本工作方式

如图1.1，MOS管Q和直流输入电压Vdc串联,通过Q的硬开通和硬关断，在V D处形成方波电压。采用恒频控制方式，占空比可调,Q导通时间为T ON。

①Q导通时，V D点电压也应为直流输入电压Vdc设Q导通，压降为0），电流流经串接电感L，流出输出端。等效模型如图1.2。

图1.2

②Q关断时，电感L产生反电动势，使得V D点电压，迅速

下降到0，便变为负值直至二极管D（因其续流作用而被称为“续流二极管”）被导通，并钳位于-0.8V。等效模型如图1.3。

图1.3

③如此重复①②的工作······

1.2.3 BUCK电路的波形分析，如图1.3

图1.4（ａ）为MOSFET的PWM驱动波形PWM，占空比可调。

当Q导通时，V D点电压也应为直流输入电压Vdc（设Q 导通，压降为0），当Q关断时，电感L产生反电动势，使得V D点电压，迅速下降到0，便变为负值直至二极管D被导通，并钳位于-0.8V。此时假设二极管的导通压降为0V，则V D的波形如图（b）所示。

当Q导通时，V D点电压直流输入电压Vdc，由于V O电压低于Vdc，电感L承受的电压为（Vdc-V O），因为Vdc,V O电压均为恒定值，所以电感两端的电压保持恒定，因此流经电感的电

流线性上升其斜率为=∆∆t /I L Vo /)(Vdc -,L 为电感量，此时电感内部的电流变化如图1.4（e ）所示的上升斜坡，而MOSFET 内部的电流如图1.4（c ）所示。

当Q 关断时，V D 点电压，迅速下降到0V （假设二极管的导通压降为0V ），而电感的电流不能突变，电感产生反电动势以维持原来建立的电流，若未接续流二极管D ，则V D 点电压会变得很负以保持电感上的电流方向不变，但是此时续流二极管导通，使得电感前端的电压比地电位低于一个二极管的导通压降。

此时电感上的极性反相，使得流经续流二极管D 和电感L 的电流线性下降，直到MOSFET 关断结束时，回到电流初始值Ia 。因为V D 点电压被钳位于1V （二极管的导通压降近似为1V ），V O 电压均为恒定值不变，所以电感L 承受的电压为（V O +1）V ，续流二极管D 和电感L 的电流下降斜率为L t /1Vo /I ）（+=∆∆L Vo /)1(+， 续流二极管的电流变化如图1.4（d ）,电感的电流如图1.4（e ）。

根据基尔霍夫电流电流定律KCL 可知:电感的电流等于MOSFET 的电流，续流二极管D 的电流之和，即I L =I Q +I D 。根据图1.4（c ）、（d ）、（e ）便可以看出。

注：电感的电流不能突变

以直流电压为例：开关闭合的瞬间，电感电流的变化趋势是增加，此时电流变化率最大（从无到有），电感自感电势最强，并且阻碍电流增加，所以电流就无法突然增加，即电流不会突变；

随着通电时间的增加，通过电感的电流转化成磁能存储起来，储能饱和后，自感电势下降为零，电流达到最大值：Im=U/Lr，Lr：线圈直流电阻。但是通常我们认为的“电感的电流不能突变”是指通过线圈的电流。

图1.４

BUCK电路的三种工作模式:连续工作模式，临界工作模式

和不连续工作模式。

BUCK电路的工作模式取决于BUCK电路中电感的工作模式，体现为电感I L电流的变化。如图（a）、（b）、（c）。

图（a）连续工作模式

图（b）临界工作模式

图（c）不连续工作模式

图（a）电感I L电流从上一个周期的关断状态进入下一个周期的导通时，电感电流并未下降为0V，为连续工作模式;

图（b）电感I L电流从上一个周期的关断状态进入下一个周期的导通时，电感电流恰好下降为0V，为临界工作模式;

图（c）电感I L电流从上一个周期的关断状态进入下一个周期的导通之前，电感电流已经下降为0V，为不连续工作模式。

1.3BUCK电路的测试与实物设计：

1.3.1BUCK电路的仿真测试（使用软件PSIM）

BUCK电路（连续工作模式）的仿真测试

1、BUCK电路（连续工作模式）仿真原理图如图1.5

图1.5

注：MOSFET和续流二极管都视为理想状态，MOSFET 和续流二极管的正向导通压降均为０Ｖ