01【Buck電路原理圖】

Buck電路，又稱降壓電路，其基本特征是DC-DC轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓低于輸入電壓。輸入電流為脈動(dòng)的，輸出電流為連續(xù)的。如圖5.1所示，Buck電路使用開關(guān)管Q1將輸入的直流電源進(jìn)行“斬波”，形成方波。利用一個(gè)方波控制開關(guān)管，讓開關(guān)管按照控制信號(hào)進(jìn)行通斷。調(diào)節(jié)方波的占空比，控制通過的能量。再對(duì)通過開關(guān)管的方波進(jìn)行低通濾波，讓直流電壓輸出。

圖5.1     非同步Buck變換器基本電路其實(shí)我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過程中，圖5.1的電路越來越少被使用。這種Buck電路被稱為非同步。同步和非同步的區(qū)別從外部來看，是一個(gè)多了一個(gè)有續(xù)流的二極管，一個(gè)沒有續(xù)流的二極管。其實(shí)Buck的輸出電流分成兩個(gè)部分的，一個(gè)部分是來自電源，一個(gè)部分是來自非同步電路中的這個(gè)二極管，如圖5.1所示D1，只是同步電路把這個(gè)二極管用一個(gè)MOSFET給替代了，這個(gè)MOSFET被稱為“下管”，如圖5.2所示，圖中的Q2替代了D1。但是這個(gè)“下管”的開和關(guān)需要和開關(guān)MOSFET（上管）保持一定的相位關(guān)系，大家習(xí)慣把這樣的關(guān)系叫做同步模式。圖5.2     同步Buck變換器基本電路非同步Buck電路，二極管續(xù)流（二極管與電感形成一個(gè)通路，二極管為電感保持電流持續(xù)，電流從二極管通過）期間，二極管兩端的電壓相對(duì)恒定，表現(xiàn)為二極管正向?qū)▔航?。這個(gè)特性導(dǎo)致非同步壓降電路在二極管上消耗的能量比較大，所以非同步Buck的效率比較低。因?yàn)槠潆娐诽攸c(diǎn)不需要復(fù)雜的控制，控制器成本也比較低。同步Buck電路，采用MOSFET，下管續(xù)流的期間（上管關(guān)閉，下管打開，下管為電感保持電流持續(xù)，電流從下管通過），MOSFET表現(xiàn)為D極和S極之間的導(dǎo)通等效阻抗。由于下管的導(dǎo)通阻抗比較小，所以其兩端的電壓也比較小，消耗在下管上的損耗比二極管也小很多。所以同步Buck電路的效率比較高，相比來說需要額外的控制電路，成本相對(duì)也高一些。但是隨著芯片的技術(shù)發(fā)展，同步Buck電路的優(yōu)勢(shì)越來越大，所以一般都選擇同步Buck，規(guī)模效應(yīng)帶來的成本優(yōu)勢(shì)逐步明顯。02【Buck電路工作原理】

基本工作原理分析

在同步Buck電路中，當(dāng)開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為高電平，上管導(dǎo)通，開關(guān)管Q2驅(qū)動(dòng)為低電平，下管關(guān)閉，儲(chǔ)能電感L1被充磁（充磁的壓差為Vin-Vout），流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C1充電，給負(fù)載RL提供能量，電路如圖5.3所示。圖5.3 同步Buck上管導(dǎo)通下管關(guān)閉非同步Buck電路中，在上管導(dǎo)通時(shí)，二極管反向截止，沒有正向電流，等同于關(guān)斷狀態(tài)。儲(chǔ)能電感L1被充磁（充磁的壓差為Vin-Vout），流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C1充電，給負(fù)載RL提供能量，如圖5.4所示。圖5.4非同步Buck上管導(dǎo)通在同步Buck電路中，當(dāng)開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為低電平，上管關(guān)斷，開關(guān)管Q2驅(qū)動(dòng)為高電平，下管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L1通過下管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，電路如圖5.5所示。圖5.5同步Buck上管關(guān)閉下管導(dǎo)通在非同步Buck電路中，當(dāng)開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為低電平，上管關(guān)斷，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，儲(chǔ)能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，電路如圖5.6所示。圖5.6非同步Buck上管關(guān)閉二極管續(xù)流（下MOS更換為二極管）在同步Buck電路中，最理想的狀態(tài)是上管關(guān)閉的一瞬間，下管打開；下管關(guān)閉的一瞬間，上管打開。如果能嚴(yán)絲合縫，沒有一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間差，則上面兩個(gè)狀態(tài)就足以把同步Buck電路工作起來了。但是MOSFET不是理想的開關(guān)特性，它在關(guān)斷到導(dǎo)通的過程中存在一個(gè)過渡的過程就是一個(gè)放大區(qū)，介于完全關(guān)斷和完全導(dǎo)通之間的一個(gè)狀態(tài)。另外控制時(shí)序也是不理想的，不可能做到“嚴(yán)絲合縫”。也就是說，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器在時(shí)間上是非常難控制到精確的同步。我們有一個(gè)狀態(tài)是必須要避免的，就是上管和下管同時(shí)打開。此時(shí)，Vin通過兩個(gè)打開的MOSFET直連到GND，形成了短路。這種直通的現(xiàn)象，即會(huì)損壞MOSFET，也會(huì)導(dǎo)致Vin短路而損壞前一級(jí)供電電源，如圖5.7所示。圖5.7同步Buck不應(yīng)該出現(xiàn)的狀態(tài)“直通”為了避免這種直通的現(xiàn)象，電源控制器在設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)故意讓上管和下管切換的時(shí)候，多等一會(huì)。寧愿出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)關(guān)斷的狀態(tài)，也不愿意出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)。如圖5.8所示，UGATE是上管的控制信號(hào)，LGATE是下管的控制信號(hào)。第一個(gè)狀態(tài)是下管導(dǎo)通，上管關(guān)閉，需要切換狀態(tài)的時(shí)候，先關(guān)閉下管（兩個(gè)控制信號(hào)都為低電平）。下管關(guān)閉的過程需要一個(gè)時(shí)間t_FL，關(guān)閉的過程上管保持關(guān)斷。兩個(gè)開關(guān)管都處于一個(gè)關(guān)閉的狀態(tài)，此時(shí)至少?zèng)]有短路的風(fēng)險(xiǎn)。圖5.8同步Buck的控制時(shí)序等待一段時(shí)間（t_LGFUGR）之后再打開上管，這個(gè)等待的過程，就叫做“死區(qū)時(shí)間”。那么這個(gè)過程，電感的一端似乎就懸空了，沒有電流回路了，其實(shí)不然。在“死區(qū)時(shí)間”的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，下管二極管雖然沒有被導(dǎo)通，但是他本身有一個(gè)寄生的二極管。這個(gè)二極管可以像非同步Buck電路一樣幫助電感續(xù)流，如圖5.9所示。但是這個(gè)時(shí)間非常短暫，所以產(chǎn)生的功耗沒有那么大。圖5.9同步Buck死區(qū)時(shí)間電流路徑同樣的過程發(fā)生在上管關(guān)閉后，需要等待一個(gè)時(shí)間（t_UGFUGR），然后再打開下管，如圖5.7所示。03【兩種電路的各個(gè)環(huán)節(jié)的波形】
Buck電路雖然是我們?nèi)粘９ぷ髦薪?jīng)常用到的電路，因?yàn)槠錁?gòu)造有多種情況，各個(gè)廠家有一些自己定義的命名，導(dǎo)致很多工程師理解上會(huì)有差異和錯(cuò)誤。如前文所述，Buck電路分為同步Buck控制器和非同步Buck控制器，我們分別看下兩種電路的各個(gè)環(huán)節(jié)的波形。

①非同步Buck電路

完整的非同步Buck電路如圖5.10所示。

圖5.10 非同步Buck典型電路

注意圖中，字母標(biāo)識(shí)位置。

我們先看功率路徑（能量傳遞路徑）的波形。首先輸入的是一個(gè)直流電壓Vin，電壓稍微高一些，例如直流12V、24V、48V等等。最終輸出的電壓也是一個(gè)直流電壓Vout，是我們最終生成的供電電壓，例如直流5V、3.3V等。

開關(guān)管MOSFET在圖中為Q1， Vin接在開關(guān)管的一端，波形如圖5.10(a)所示。通過Q1導(dǎo)通和關(guān)斷，在Phase點(diǎn)產(chǎn)生方波電壓, 波形如圖5.10(b)所示?？刂崎_關(guān)管的控制信號(hào)保持周期值不變，通過調(diào)整占空比，控制通過Q1的導(dǎo)通時(shí)間Ton，通過控制導(dǎo)通時(shí)間控制高壓的時(shí)間，來調(diào)整輸出的能量。Q1導(dǎo)通時(shí)，Phase點(diǎn)電壓為Vin（Q1導(dǎo)通時(shí)，理想狀態(tài)我們可以認(rèn)為Q1完全導(dǎo)通電阻為0），電感兩端的電壓分別為Vin和Vout，電流通過串接電感L1流入輸出端。

Q1關(guān)斷時(shí)，二極管參與電流回路，與電感串聯(lián)，通過功率電流，為輸出供電。電感L1會(huì)保持原來的電流方向，并且試圖保持原來大小，成為了一個(gè)能量提供的器件，瞬間形成了一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)。電感右邊的電壓仍然是輸出電壓，電感的左邊會(huì)從Vin瞬間變成一個(gè)負(fù)壓。二極管從截止?fàn)顟B(tài)，變成正向?qū)顟B(tài)，二極管的正端為0V（GND），它因?yàn)橛姓驅(qū)▔航担湄?fù)端的電壓是一個(gè)負(fù)壓。此時(shí)Phase點(diǎn)的電壓也就變成了一個(gè)負(fù)壓。

結(jié)合Q1開關(guān)的過程，我們可以發(fā)現(xiàn)Q1的Phase點(diǎn)電壓波形是一個(gè)矩形波。

采樣電阻R1和R2檢測(cè)輸出電壓Vout，如圖5.10（c），兩個(gè)電阻分壓后輸出一個(gè)電壓如圖5.10（d）所示，并將其輸入誤差放大器（EA）與參考電壓Vref進(jìn)行比較，如圖5.10（e）。被放大誤差電壓Vea被輸入到脈沖調(diào)制器（電壓比較器）中。這個(gè)比較器的另一個(gè)輸入是周期為T的鋸齒波如圖5.10(f)所示，圖中的案例為幅值3V。PWM電壓比較器產(chǎn)生的矩形脈沖波。聽從鋸齒波的起點(diǎn)開始到鋸齒波與誤差放大器輸出電壓交點(diǎn)結(jié)束。因此PWM輸出的脈沖寬度Ton與誤差放大器EA輸出的電壓成正比，如圖5.10(g)所示。

PWM脈沖輸入到電流放大器（驅(qū)動(dòng)器）并以負(fù)反饋方式控制開關(guān)管Q1的通斷。