BUCK变换器工作模式、器件选型及案例分析

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BUCK电路对于大多数电源工程师来说并不陌生，都是耳熟能详的拓扑结构，资料也是一搜一大把，但是为啥我要在这里再次谈到BUCK变换器这种结构呢？可能大部分的资料内容细节上有遗漏，这篇文章从最基本的原理入手，一步步讨论BUCK变换器的工作模式、器件选型、案例分析。
$ ?4 I- Q- J( w. f( H6 j# s- V   一个降压转换器，基本上是一个方波发生器，后跟一个 LC 滤波器。 为了完善我们对转换器的理解，我们可以将开和关情况分开。 我们假设转换器采用电压控制。 在图  中，我们可以看到开关闭合时间内的电流。
开关闭合期间的导通电流路径：
# \0 b% t5 Z0 {9 P8 h. u* \8 R, z

在关断期间，电感电流保持同向循环：

导通期间：
   一旦 SW 闭合，L 中就会发生电流上升。 将电压 V 施加到受串联电阻器 rLf 影响的电感器 L 通常会产生一个指数电流，其变化遵循等式：

   其中 VL 是施加在电感两端的电压，rLf 是电感串联电阻。由于串联电阻 rLf 显然很小，我们可以尝试展开上述公式。 我们得到常见的方程：
; f; f9 y1 t- d( r. g

7 z8 v0 U* u  V. _% Z3 t   如果我们分析导通期间的降压，电感端子之一Vin（假设 SW 压降为零），而另一个直接连接到 Vout。 应用方程上述方程对这种情况意味着电流达到峰值，这是由 SW 闭合储能，即导通时间，表示为 ton。 就会得到以下方程：

0 S  J" n" g$ r4 }" r6 i   当电流 IL 在电感中流动时，它还穿过电容器 C (IC) 和连接到输出的负载 (Iload)。 正如我们已经表明的那样，在平衡状态下，所有交流电（交流部分）将流入 C，而直流部分将流入 Rload。 了解这一现象将有助于我们评估输出电压纹波幅度。
3 K  R' `4 a1 M关断期间：
' B* ~9 L3 ?1 t, E8 p   电流已达到 ton 施加的值，PWM 调制器现在指示开关打开。 为了对抗其即将饱和的磁场，电感器需要将其电压反转。 由于感应电流仍然需要在某个地方流动，在相同的方向上，二极管被激活。 如果我们忽略二极管压降，电感左端接地，而右端是Vout。 电感谷电流 Ivalley 可以用方程来描述。
8 m. |  C5 I" Y, {7 ?# p  Q

   当新的时钟周期出现时，SW 再次关闭，我们最终在公共点 SW/D 上得到一个方波信号，在 Vin 和 0 之间摆动，并由 LC 滤波器进一步积分。 现在让我们通过仿真来揭示所有波形。
BUCK——CCM：
   为了全面了解降压操作，通过仿真波形进行分析：
1 ]5 m9 L" v/ I6 j, V

波形 1（曲线 1）表示 PWM 模式，激活开关。 当开关 SW 导通时，Vin 出现在公共点 SW/D 上。 相反，当 SW 打开时，我们预计该节点会向负摆动。 然而，由于二极管 D 的存在，电感电流对其进行偏置，并出现负压降：这是续流动作。
) b0 u9 n" X' W2 }/ V( @, ]# k波形 3 描述了电感两端的电压如何演变。 根据上述方程，L 两端的平均电压在平衡时为零，这意味着 S1+S2=0。S1 对应于开启伏秒区域，而 S2 代表关闭伏秒区域。 S1 只是矩形高度 Vin-Vout 乘以持续时间 DTsw，而 S2 也是矩形高度 -Vout 乘以持续时间 （1-D）Tsw。 如果我们将 S1 和 S2 相加并在 Tsw 上取平均值，我们有
% Q9 s; h+ y# v- K4 K' T9 \) r

% R( d0 s; U+ A  E0 t" B如果我们重新排列方程，我们将获得 CCM 中众所周知的降压直流传递函数 M：
' V' z2 S0 Z& S  \! Q! e1 ?

5 E% |8 F$ _7 M7 e1 B9 E; O在 CCM 中运行的降压转换器的直流转换比：

( d, r, O6 m: u" h5 A   如果我们绘制此函数，以查看 Vout 如何随 D 演变，我们可以看到上述图中所示的线性变化。理想状态下，传输特性与输出负载无关。 稍后我们将看到它并不完全正确。
# \9 v3 }) D: `0 f$ U! S+ J   另一个基于零平均电感电压的简单技巧可以帮助加快传输比的确定。 首先，让我们写出瞬时电感电压VL

一个周期内上述等式可以表述为：

   根据定义，Vout 由反馈回路保持恒定。 然而，公共点 SW/D 在 Vin（导通期间）和关断期间的 0 之间摆动。上述等式因此可以重新定义：
  f4 t) I' ~* U7 o4 r

   对底部波形的仔细观察显示了几件事。 首先，打开 SW 时会出现一个大尖峰。 这是因为开关通过将 Vin 施加到其阴极来残酷地中断二极管导通周期。 如果我们使用 PN 二极管，那么我们需要将晶体恢复到其电中性以阻止它。 这是通过去除所有少数载流子来完成的：二极管清除所有注入的电荷，需要一定的时间来恢复其阻断作用。 这段时间称为trr。 在二极管完全恢复之前，它表现为短路。 对于肖特基二极管，我们有一个金属-硅结，没有恢复效应。 然而，可能存在较大的寄生电容。 一旦放电（当二极管导通时），SW 迅速将 Vin 施加到该放电电容器上，并出现电流尖峰。 努力减慢开启 SW 转换将有助于降低尖峰幅度。
, |$ f8 q# V  I5 o* k. E   第二点与当前形状有关。 您可以在输出上观察到一个很好的纹波。我们说输出纹波是平滑的，“非脉动的”。 它意味着下游电子电路更好地接受，意味着线路上的污染更少。 另一方面，输入电流不仅具有尖峰特征，而且看起来像方波。 如果 L 增长到无穷大，则形状将是真正的方波。 事实上它是一种“脉动”电流，携带大量污染频谱，比几乎正弦形状更难过滤。
作为总结，我们可以写一些与 CCM 降压转换器相关的评论：
• 由于D 被限制在1 以下，降压的输出电压总是小于输入电压(M＜1)。
( Z4 Y! s: C: ]6 F- H  N- G• 如果我们忽略各种欧姆损耗，转换比 M 与负载电流无关。
( o( i6 C- x1 O! m- q) I9 L• 如前所述，通过改变占空比 D，我们可以控制输出电压。
• 在 CCM 模式中降压会带来额外的损耗，因为需要排出二极管反向恢复电荷 (trr)。 这被视为功率开关 SW 的额外损耗负担。
$ A- N# ~& e; ]3 ]$ t• 有非脉动输出纹波，但有脉动输入电流。
- w* S' h# C0 y* P• 除非使用P 通道或PNP 晶体管，否则N 通道或NPN 的控制需要特殊电路，因为其源极或发射极浮动。
• 短路保护或浪涌限制是可行的，因为电源开关可以中断输入电流。

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Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。

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