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。
   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：
1 J6 t4 u( R+ g/ O; z+ o( ]

/ v$ g, B& |4 a+ s在关断期间，电感电流保持同向循环：
: r, P9 c5 H/ c* y" g1 ~

导通期间：
3 e# n8 r- {  x' D   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：
" Y+ Z8 C# ?* s) B1 ]+ L

   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：
. p) p5 I: K5 M: c4 f7 Z

6 J' W3 B1 K/ a4 P( ^   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：

   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。
( U; A+ u) I7 l& o. l关断期间：
$ ?; J; r: i2 J% s   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。
! A; v' L1 d) G& f; M

4 u% v% [1 C7 ~! w2 ~" @* r2 K   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。
2 y7 b: O6 y* E/ t; VBUCK——CCM：
   为了全面了解降压操作，通过仿真波形进行分析：

2 u  M' @3 N; p$ \) n: P* ^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。
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
9 |0 e/ c- g$ Q2 i1 v5 l6 S6 y

6 h7 S  P# @8 T4 x6 X4 M% P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：
7 P: }2 c7 A3 D& m8 b% b

在 CCM 中运行的降压转换器的直流转换比：
3 G9 p$ c2 B' B9 w0 E. [

   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。
$ K& t. K1 s/ K4 Y7 C0 C! Z, 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
0 B  ]' T9 |/ U

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：
+ y7 i& U% C) N" {7 s

0 @4 c. d0 N6 H   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。
% F  _: [1 K' @+ i) e# t   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。
8 r: U' W2 K6 ?( G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)。
• 如果我们忽略各种欧姆损耗，转换比 M 与负载电流无关。
• 如前所述，通过改变占空比 D，我们可以控制输出电压。
% V) N6 m8 u  S8 \• 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。
7 X6 D& O7 L! ?) K• 有非脉动输出纹波，但有脉动输入电流。
, \5 b: ]% a0 F' Q• 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。
4 J! s# \* s: [5 D, `$ f3 o• 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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