Buck電路原理圖及工作原理

1、Buck電路原理圖

Buck電路，又稱降壓電路，其基本特征是DC-DC轉換電路，輸出電壓低于輸入電壓。輸入電流為脈動的，輸出電流為連續(xù)的。如圖5.1所示，Buck電路使用開關管Q1將輸入的直流電源進行“斬波”，形成方波。利用一個方波控制開關管，讓開關管按照控制信號進行通斷。調節(jié)方波的占空比，控制通過的能量。再對通過開關管的方波進行低通濾波，讓直流電壓輸出。

圖5.1???? 非同步Buck變換器基本電路

其實我們在實際設計過程中，圖5.1的電路越來越少被使用。這種Buck電路被稱為非同步。同步和非同步的區(qū)別從外部來看，是一個多了一個有續(xù)流的二極管，一個沒有續(xù)流的二極管。其實Buck的輸出電流分成兩個部分的，一個部分是來自電源，一個部分是來自非同步電路中的這個二極管，如圖5.1所示D1，只是同步電路把這個二極管用一個MOSFET給替代了，這個MOSFET被稱為“下管”，如圖5.2所示，圖中的Q2替代了D1。但是這個“下管”的開和關需要和開關MOSFET（上管）保持一定的相位關系，大家習慣把這樣的關系叫做同步模式。

圖5.2???? 同步Buck變換器基本電路

非同步Buck電路，二極管續(xù)流（二極管與電感形成一個通路，二極管為電感保持電流持續(xù)，電流從二極管通過）期間，二極管兩端的電壓相對恒定，表現(xiàn)為二極管正向導通壓降。這個特性導致非同步壓降電路在二極管上消耗的能量比較大，所以非同步Buck的效率比較低。因為其電路特點不需要復雜的控制，控制器成本也比較低。

同步Buck電路，采用MOSFET，下管續(xù)流的期間（上管關閉，下管打開，下管為電感保持電流持續(xù)，電流從下管通過），MOSFET表現(xiàn)為D極和S極之間的導通等效阻抗。由于下管的導通阻抗比較小，所以其兩端的電壓也比較小，消耗在下管上的損耗比二極管也小很多。所以同步Buck電路的效率比較高，相比來說需要額外的控制電路，成本相對也高一些。但是隨著芯片的技術發(fā)展，同步Buck電路的優(yōu)勢越來越大，所以一般都選擇同步Buck，規(guī)模效應帶來的成本優(yōu)勢逐步明顯。

二、Buck電路工作原理

1、基本工作原理分析

在同步Buck電路中，當開關管Q1驅動為高電平，上管導通，開關管Q2驅動為低電平，下管關閉，儲能電感L1被充磁（充磁的壓差為Vin-Vout），流經(jīng)電感的電流線性增加，同時給電容C1充電，給負載RL提供能量，電路如圖5.3所示。

圖5.3 同步Buck上管導通下管關閉

非同步Buck電路中，在上管導通時，二極管反向截止，沒有正向電流，等同于關斷狀態(tài)。儲能電感L1被充磁（充磁的壓差為Vin-Vout），流經(jīng)電感的電流線性增加，同時給電容C1充電，給負載RL提供能量，如圖5.4所示。

圖5.4非同步Buck上管導通

在同步Buck電路中，當開關管Q1驅動為低電平，上管關斷，開關管Q2驅動為高電平，下管導通，儲能電感L1通過下管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，電路如圖5.5所示。

圖5.5同步Buck上管關閉下管導通

在非同步Buck電路中，當開關管Q1驅動為低電平，上管關斷，二極管處于正向導通的狀態(tài)，儲能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，電路如圖5.6所示。

圖5.5非同步Buck上管關閉二極管續(xù)流

在同步Buck電路中，最理想的狀態(tài)是上管關閉的一瞬間，下管打開；下管關閉的一瞬間，上管打開。如果能嚴絲合縫，沒有一點點時間差，則上面兩個狀態(tài)就足以把同步Buck電路工作起來了。但是MOSFET不是理想的開關特性，它在關斷到導通的過程中存在一個過渡的過程就是一個放大區(qū)，介于完全關斷和完全導通之間的一個狀態(tài)。另外控制時序也是不理想的，不可能做到“嚴絲合縫”。也就是說，兩個驅動器在時間上是非常難控制到精確的同步。我們有一個狀態(tài)是必須要避免的，就是上管和下管同時打開。此時，Vin通過兩個打開的MOSFET直連到GND，形成了短路。這種直通的現(xiàn)象，即會損壞MOSFET，也會導致Vin短路而損壞前一級供電電源，如圖5.6所示。

圖5.5同步Buck不應該出現(xiàn)的狀態(tài)“直通”

為了避免這種直通的現(xiàn)象，電源控制器在設計的時候，會故意讓上管和下管切換的時候，多等一會。寧愿出現(xiàn)兩個管子同時關斷的狀態(tài)，也不愿意出現(xiàn)兩個管子同時導通的狀態(tài)。如圖5.7所示，UGATE是上管的控制信號，LGATE是下管的控制信號。第一個狀態(tài)是下管導通，上管關閉，需要切換狀態(tài)的時候，先關閉下管（兩個控制信號都為低電平）。下管關閉的過程需要一個時間tFL，關閉的過程上管保持關斷。兩個開關管都處于一個關閉的狀態(tài)，此時至少沒有短路的風險。

圖5.7同步Buck的控制時序

等待一段時間（tLGFUGR）之后再打開上管，這個等待的過程，就叫做“死區(qū)時間”。那么這個過程，電感的一端似乎就懸空了，沒有電流回路了，其實不然。

在“死區(qū)時間”的這個時間段內，下管二極管雖然沒有被導通，但是他本身有一個寄生的二極管。這個二極管可以像非同步Buck電路一樣幫助電感續(xù)流，如圖5.8所示。但是這個時間非常短暫，所以產生的功耗沒有那么大。

圖5.8同步Buck死區(qū)時間電流路徑

同樣的過程發(fā)生在上管關閉后，需要等待一個時間（tUGFUGR），然后再打開下管，如圖5.7所示。

本文以及后續(xù)相關的系列，會細說Buck電路的一些細節(jié)。

　　審核編輯：湯梓紅