buck电路(buck电路是什么意思)

Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路，输出电压低于输入电压。

 

01【Buck电路原理图】Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路，输出电压低于输入电压输入电流为脉动的，输出电流为连续的如图5.1所示，Buck电路使用开关管Q1将输入的直流电源进行。

“斩波”，形成方波。利用一个方波控制开关管，让开关管按照控制信号进行通断。调节方波的占空比，控制通过的能量。再对通过开关管的方波进行低通滤波，让直流电压输出。

图5.1     非同步Buck变换器基本电路其实我们在实际设计过程中，图5.1的电路越来越少被使用这种Buck电路被称为非同步同步和非同步的区别从外部来看，是一个多了一个有续流的二极管，一个没有续流的二极管。

其实Buck的输出电流分成两个部分的，一个部分是来自电源，一个部分是来自非同步电路中的这个二极管，如图5.1所示D1，只是同步电路把这个二极管用一个MOSFET给替代了，这个MOSFET被称为“下管”，如图5.2所示，图中的Q2替代了D1。

但是这个“下管”的开和关需要和开关MOSFET（上管）保持一定的相位关系，大家习惯把这样的关系叫做同步模式

图5.2     同步Buck变换器基本电路非同步Buck电路，二极管续流（二极管与电感形成一个通路，二极管为电感保持电流持续，电流从二极管通过）期间，二极管两端的电压相对恒定，表现为二极管正向导通压降。

这个特性导致非同步压降电路在二极管上消耗的能量比较大，所以非同步Buck的效率比较低因为其电路特点不需要复杂的控制，控制器成本也比较低同步Buck电路，采用MOSFET，下管续流的期间（上管关闭，下管打开，下管为电感保持电流持续，电流从下管通过），MOSFET表现为D极和S极之间的导通等效阻抗。

由于下管的导通阻抗比较小，所以其两端的电压也比较小，消耗在下管上的损耗比二极管也小很多所以同步Buck电路的效率比较高，相比来说需要额外的控制电路，成本相对也高一些但是随着芯片的技术发展，同步Buck电路的优势越来越大，所以一般都选择同步Buck，规模效应带来的成本优势逐步明显。

02【Buck电路工作原理】基本工作原理分析在同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为高电平，上管导通，开关管Q2驱动为低电平，下管关闭，储能电感L1被充磁（充磁的压差为Vin-Vout），流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载RL提供能量，电路如图5.3所示。

图5.3 同步Buck上管导通下管关闭非同步Buck电路中，在上管导通时，二极管反向截止，没有正向电流，等同于关断状态储能电感L1被充磁（充磁的压差为Vin-Vout），流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载RL提供能量，如图5.4所示。

图5.4非同步Buck上管导通在同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为低电平，上管关断，开关管Q2驱动为高电平，下管导通，储能电感L1通过下管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，电路如图5.5所示。

图5.5同步Buck上管关闭下管导通在非同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为低电平，上管关断，二极管处于正向导通的状态，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，电路如图5.6所示。

图5.6非同步Buck上管关闭二极管续流（下MOS更换为二极管）在同步Buck电路中，最理想的状态是上管关闭的一瞬间，下管打开；下管关闭的一瞬间，上管打开如果能严丝合缝，没有一点点时间差，则上面两个状态就足以把同步Buck电路工作起来了。

但是MOSFET不是理想的开关特性，它在关断到导通的过程中存在一个过渡的过程就是一个放大区，介于完全关断和完全导通之间的一个状态另外控制时序也是不理想的，不可能做到“严丝合缝”也就是说，两个驱动器在时间上是非常难控制到精确的同步。

我们有一个状态是必须要避免的，就是上管和下管同时打开此时，Vin通过两个打开的MOSFET直连到GND，形成了短路这种直通的现象，即会损坏MOSFET，也会导致Vin短路而损坏前一级供电电源，如图5.7所示。

图5.7同步Buck不应该出现的状态“直通”为了避免这种直通的现象，电源控制器在设计的时候，会故意让上管和下管切换的时候，多等一会宁愿出现两个管子同时关断的状态，也不愿意出现两个管子同时导通的状态如图5.8所示，UGATE是上管的控制信号，LGATE是下管的控制信号。

第一个状态是下管导通，上管关闭，需要切换状态的时候，先关闭下管（两个控制信号都为低电平）下管关闭的过程需要一个时间tFL，关闭的过程上管保持关断两个开关管都处于一个关闭的状态，此时至少没有短路的风险

图5.8同步Buck的控制时序等待一段时间（tLGFUGR）之后再打开上管，这个等待的过程，就叫做“死区时间”那么这个过程，电感的一端似乎就悬空了，没有电流回路了，其实不然在“死区时间”的这个时间段内，下管二极管虽然没有被导通，但是他本身有一个寄生的二极管。

这个二极管可以像非同步Buck电路一样帮助电感续流，如图5.9所示但是这个时间非常短暂，所以产生的功耗没有那么大

图5.9同步Buck死区时间电流路径同样的过程发生在上管关闭后，需要等待一个时间（tUGFUGR），然后再打开下管，如图5.7所示03【两种电路的各个环节的波形】Buck电路虽然是我们日常工作中经常用到的电路，因为其构造有多种情况，各个厂家有一些自己定义的命名，导致很多工程师理解上会有差异和错误。

如前文所述，Buck电路分为同步Buck控制器和非同步Buck控制器，我们分别看下两种电路的各个环节的波形①非同步Buck电路完整的非同步Buck电路如图5.10所示。

图5.10 非同步Buck典型电路注意图中，字母标识位置我们先看功率路径（能量传递路径）的波形首先输入的是一个直流电压Vin，电压稍微高一些，例如直流12V、24V、48V等等最终输出的电压也是一个直流电压Vout，是我们最终生成的供电电压，例如直流5V、3.3V等。

开关管MOSFET在图中为Q1， Vin接在开关管的一端，波形如图5.10(a)所示通过Q1导通和关断，在Phase点产生方波电压, 波形如图5.10(b)所示控制开关管的控制信号保持周期值不变，通过调整占空比，控制通过Q1的导通时间Ton，通过控制导通时间控制高压的时间，来调整输出的能量。

Q1导通时，Phase点电压为Vin（Q1导通时，理想状态我们可以认为Q1完全导通电阻为0），电感两端的电压分别为Vin和Vout，电流通过串接电感L1流入输出端Q1关断时，二极管参与电流回路，与电感串联，通过功率电流，为输出供电。

电感L1会保持原来的电流方向，并且试图保持原来大小，成为了一个能量提供的器件，瞬间形成了一个反向电动势电感右边的电压仍然是输出电压，电感的左边会从Vin瞬间变成一个负压二极管从截止状态，变成正向导通状态，二极管的正端为0V（GND），它因为有正向导通压降，其负端的电压是一个负压。

此时Phase点的电压也就变成了一个负压结合Q1开关的过程，我们可以发现Q1的Phase点电压波形是一个矩形波采样电阻R1和R2检测输出电压Vout，如图5.10（c），两个电阻分压后输出一个电压如图5.10（d）所示，并将其输入误差放大器（EA）与参考电压Vref进行比较，如图5.10（e）。

被放大误差电压Vea被输入到脉冲调制器（电压比较器）中这个比较器的另一个输入是周期为T的锯齿波如图5.10(f)所示，图中的案例为幅值3VPWM电压比较器产生的矩形脉冲波听从锯齿波的起点开始到锯齿波与误差放大器输出电压交点结束。

因此PWM输出的脉冲宽度Ton与误差放大器EA输出的电压成正比，如图5.10(g)所示PWM脉冲输入到电流放大器（驱动器）并以负反馈方式控制开关管Q1的通断。

作者：硬十， 来源：硬件十万个为什么声明：本文经授权转载自“硬件十万个为什么”公众号转载仅为学习参考，不代表本号认同其观点，本号亦不对其内容、文字、图片承担任何侵权责任END往期推荐1、PCB上1A的电流需要走1mm的宽度，10A就得走10mm宽？。

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