BUCK電路簡介

BUCK電路是一種基于電感儲能原理的DC-DC變換器，其涉及到物理中的電磁感應和電能轉換的基本原理。在BUCK電路中，通過控制輸入占空比可變的PWM波切換開關管的導通和斷開狀態，將輸入電源提供的直流電壓轉換為可調的低電壓輸出，從而滿足不同電路的供電需求。

具體來說，BUCK電路中的電感在導通狀態下，將電流通過電感中心核心的磁場轉化為磁能，并將磁能存儲在電感中。而在斷開狀態下，由于電感的自感作用，磁場會產生電壓，將電磁能轉化為電能，并通過輸出端向負載供電。因此，通過控制開關管的導通和斷開狀態，實現了電能在電容和電感之間的周期性轉換和調節，最終輸出穩定的直流電壓。

此外，BUCK電路中的電容起到平滑輸出電壓的作用，通過在開關管導通狀態下儲存電能，在斷開狀態下釋放電能，平滑輸出電壓波動。同時，為了確保穩定輸出電壓，BUCK電路通常采用負反饋控制，通過對輸出電壓進行采樣，反饋給微控制器，然后微控制器調節輸出的PWM波的占空比，控制開關管的導通時間和斷開時間，使得輸出電壓保持在預定范圍內。

BUCK電路的基本拓撲：

BUCK電路工作原理四個階段

BUCK電路的工作原理可以分為四個階段：

導通階段：當開關管導通時，電感儲存電能，電容充電。

關斷階段：當開關管關閉時，電感和電容之間的能量被傳遞到負載上，此時電感中的電流仍然存在，它會繼續流向負載。

自由輪振蕩階段：在電感電流流向負載后，開關管關閉，此時電感中的電流無法立即消失，因此電感中的能量會反向傳回開關管，驅動二極管導通，這個過程稱為自由輪振蕩。

重復階段：上述三個階段重復進行，控制開關管導通的占空比可以通過PWM控制器調整，從而實現輸出電壓的穩定調節。

BUCK電路輸入電壓與輸出電壓的數學關系式：

Vout = Vin x D

其中，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓，D為開關管的占空比，即PWM波的高電平時間與周期之比。

如果考慮到開關管的導通損耗和電感、電容等元件的等效電阻，還需要引入一個效率因子η，得到如下的修正關系式：

Vout = Vin x D x η

其中，η為效率因子，通常在0.8到0.95之間。

需要注意的是，BUCK電路的輸出電壓通常不能高于輸入電壓，因為其基本工作原理是通過降壓轉換實現穩定的輸出電壓。因此，如果需要得到更高的輸出電壓，需要使用升壓(BOOST)電路或者其他升壓轉換電路。

dc-dc降壓電路原理圖

降壓式（Buck）變換器是一種輸出電壓≤輸入電壓的非隔離直流變換器，Buck變換器的主電路由開關管S1，二極管D，輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構成，基本工作原理如下：

當開關管S1閉合時，電感L被充磁儲能，流經電感的電流線性增加，同時給電容C充電，給負載RL提供能量（如左圖所示），此時Vout電壓緩慢上升，若S1一直閉合則最終Vout會近似等于Vin電壓（S1有耗損壓降）；

當開關管S1關斷時，儲能電感L通過續流二極管D放電，電感電流IL線性減少，輸出電壓Vout靠輸出電容C放電Ic以及減小的電感電流IL維持(如右圖所示)緩慢下降，若S1一直保持關斷，則Vout會最終降至0V；

按上述描述，Buck輸出電壓Vout曲線近似如下左圖所示：

由此可知，通過控制開關管S1開啟關斷的占空比，可以控制輸出電壓Vout的大小（如上圖所示）。

一般DCDC集成芯片內部會集成電壓調節電路，通過芯片輸出端接分壓電阻器將輸出電壓采樣到FB(VFB)端，也就是反饋端，與基準電壓對比后通過運放輸出一個電壓，與三角波對比，產生PWM信號，驅動功率管，實現電壓的閉環控制。

降壓型(Buck)轉換器按整流方式不同，分為異步整流型Buck和同步整流型buck：

非同步整流Buck

以上描述的通過二極管D來完成的續流回路，這種屬于非同步整流型Buck轉換器，也叫異步Buck轉換器（見上圖“異步整流Buck”）。

續流回路中采用的是二極管，具有單向導電性，不需要外加電路控制其通斷，因此它只有一個mos管（或者說開關管）需要用電路控制，也就不用去強調同步控制二極管，即可以理解為非同步。

因為二極管需要一定導通壓降才能導通，如果輸出電流比較大，那么就會有比較大的額外消耗，另一方面，如果輸出電壓是比較低的時候，比如說是1.2V，那么二極管導通壓降就占了很大的比例。所以在大電流，小電壓輸出時候效率偏低。

同步整流Buck

另外還有一種就是同步整流型Buck。同步Buck在電路中續流回路中使用的也是MOS管（Q2），即上下管都是MOS管，因為MOS管本身是需要外部控制的元器件，整流過程中必須根據電源的開關時序同步控制Q1與Q2，所以該電路理解為同步（見右上圖“同步整流Buck”）。

同步Buck的控制較為復雜，需要額外的驅動電路和控制電路保證電路正常工作，如果死區時間處理不當，有可能上下管直通，造成MOS管損壞(這是指的是電源控制器外接同步整流MOSFET的情況)。對于內部集成了控制器，上下管的電源管理芯片，由于MOSFET的特性已知，控制和MOSFET集成，可以很好的解決上面提到的控制問題，不需要過多擔心。

同步和異步的區別從外部來看是同步的沒有續流二極管。BUCK的輸出電流是分成兩個部分的，一個部分是來自電源，一個部分是來自異步電路中的這個二極管，同步電路把這個二極管用一個內置的MOSFET給替代了，但是這個MOSFET的開和關需要芯片內部額外的控制電路來保持和開關MOSFET的相位關系。

從性價比、可靠性和高電壓輸出場景表現，優先選擇異步BUCK電路。從功耗、效率和非連續工作場景噪聲表現，優先選擇同步BUCK電路。

BUCK電路應用、特點

BUCK電路作為一種常見的降壓電路，在電源領域有著廣泛的應用。

其主要應用場景：

電子設備穩壓電源：BUCK電路能夠將高電壓轉換為低電壓，從而為電子設備提供穩定的電源。例如，計算機主板、筆記本電腦、手機充電器等設備都會采用BUCK電路作為穩壓電源。

能量回收系統：在某些場景下，電路中會出現大量的電能消耗，例如電動機制動、光伏發電等。此時，BUCK電路可以將被消耗的電能進行回收，從而提高能源利用效率。

LED驅動電路：由于LED的電壓相對較低，因此需要將輸入電壓進行降壓。此時，BUCK電路能夠提供穩定的電源，并實現對LED亮度的控制。

BUCK電路的特點：

能效高：由于BUCK電路通過開關管進行脈沖調制，因此其能效通常比線性穩壓電路更高。

輸出電壓穩定：BUCK電路通過電感和電容的協同作用，能夠保持輸出電壓的穩定性。

可控性強：BUCK電路通過PWM控制，能夠實現對輸出電壓的精確調節，從而滿足不同應用場景的需求。

成本低：相較于其他降壓電路，BUCK電路所需要的元器件較少，因此成本相對較低。

總的來說，BUCK電路具有廣泛的應用場景和較好的性能，能夠為電子設備提供穩定的電源，并提高能源利用效率。

　　審核編輯：湯梓紅