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Buck电路基本介绍

阿群今天学习了吗 2023-11-18 原文

文章基本内容：
1.Buck电路的拓扑结构、工作原理；
2.（输入、输出）电容取值、电感感量的计算；
3.Buck各处电压、电流的波形；
4.实际电路应用举例。

目录

1.Buck电路的拓扑结构、工作原理：

Buck电路是DC→DC的降压电路。可初略分为异步buck和同步buck电路。还可分为：CCM（电感电流连续工作模式），DCM（电感电流不连续工作模式），BCM（电感电流连续工作模式，周期结束时电感电流刚好降为0），看电感电流是否连续，可以从每个周期的电感电流是否从0开始判断。
先讲异步buck电路。基本拓扑结构时这样的：

**mos管相当于开关。**开关不局限于mos管，还可以是三极管、单刀双掷开关等。
下面分开关闭合与断开，两种情况进行讨论。

  • 开关闭合时，二极管不导通，电感左侧为Vi，右侧为Vo，左边电压高于右边电压时，即实现降压，电感两端电压为Vi-Vo。由电容两端电压与电流的关系，有Vi-Vo=L*（di/dt），因为Vi-Vo恒定，则电流i呈线性增大变化，电流从左端流到右端。电感中的电流在线性增大的同时会发生自感，自感反过来会阻碍电流的变化，这时电感就将电能转化为磁能存储起来了。
  • 开关断开时，电感的电流不发生突变，从左端流向右端；电压反向，左侧为低电势，右侧为高电势，同时，电感之前存储的磁能就转化为电能释放给负载R。二极管于是导通，若假设二极管的导通管压降为Vd，则电感左侧电压为-Vd，，左侧与右侧的电压差为-Vd-Vo，再由-Vd-Vo=L*（di/dt）可知，此时流过电感的电流为线性减小。

2.公式计算

  • 占空比D：
    开关闭合时，有Vi-Vo=L*（di/dt）；开关断开时，有-Vd-Vo=L*（di/dt）。如果是在CCM的工作模式（此模式下，电感比较大）下，则可作出电感电流随时间的变化图像。

    如果是在DCM的工作模式下，电感比较小，负载比较大，或者周期T比较长，电感电流已经降为0了，而新的周期还没有开始。所以每个新的周期电感电流都是从0开始线性增大的。
    若整个电路稳定，则Vo输出值稳定，其负载电流稳定。那么，一个周期内电感电流 的增加量和减小量应当一样，否则将会影响Vo输出值和负载电流值。
    （不考虑电流方向，单纯比较数值时）电流的变化速率与电压成正比。上图中的斜率的绝对值代表的就是电流的变化速率，与横坐标变化值（△t）成反比，则可知：
    （Vi-Vo）/（Vd+Vo）=Toff/Ton。
    （即，伏秒法则！）变化一下。

    （借用一下别人的图片）

    但实际这种求D可能麻烦了一点，利用U=L*（△i/△t），可以列出Ton时，上升的电流，Toff时下降的电流。为了保持稳定，两者应当相等，也可求出D的表达式。
    如果是同步buck，则是将拓扑结构图中的二极管换成了mos管，那么Vd可以近似为0，代入上面公为：
  • 电感感量
    电感选型需要考虑：电感感量和电感电流。
    **电感感量又决定了电感纹波电流的大小。我们知道U=L（△i/△t），则△i/△t=U/L=电路变化斜率的绝对值。在输入输出电压恒定时，斜率的绝对值与电感量成反比。

    电感电流包括两部分：平均电流IL和纹波电流△IL。
    首先看平均电流：输出电压Vo基本不变，负载电流基本不变，等于Vo/R。其因为输出滤波电容两端的电压基本没变化，所以电容的平均电流也为0。由电感右端节点的KCL可得，电感的平均电流等于负载的平均电流。即IL=Vo/R。
    再看电感的纹波电流△IL，（就是上面那个三角波的图！它的含义就是 电感电流随时间的变化图像啊）

    用开关闭合时来算，由于一个周期时间很短，△t可以和dt等价。电感两端电压是Vi-Vo。则有Vi-Vo=L    （△IL/Ton），公式带入有：

    根据上面三角波的图，可以知道电感的峰值电流为，电感的平均电流+纹波电流的一半。具体是：

    电感选型时，需要满足：△IL=(0.2~0.4)*IL。则有：

    根据这个范围，就可以求电感的范围了。

3.举例

以MPS公司的MP2388芯片为例。
内部结构为：

外部连接的一个例子是：

从上面两个图，可以发现SW端接了上管和下管。上管的作用就是上文中提到的开关。而下管类似于上文中的二极管。这是一个同步的buck电路。观察SW外侧的连接，可以明显看出buck电路。其中BST和SW之间有一个自举电容，具有重要作用。

Buck电路xffxff0cxff0硬件工程

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