Buck電源工作原理詳解

Buck電源拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，電壓和電流極性如圖2所示。Buck電源工作原理如下：1.開關(guān)管SW開通時，二極管D反向偏置而截止，二極管電流ID=0，輸入電壓經(jīng)過電感給負載RL供電，同時電感和電容儲能，電感電流IL逐漸增大，如圖1中藍色環(huán)路所示；2.開關(guān)管SW關(guān)斷時，開關(guān)管電流IT=0，電感由于自身的自感電動勢，通過二極管D續(xù)流，繼續(xù)給負載RL供電，電感電流IL逐漸減小，如圖1中紅色環(huán)路所示。工作過程中，開關(guān)管以很高的頻率（一般為幾十KHz到MHz的量級）不斷地重復(fù)開通和關(guān)斷。

圖1

圖2

根據(jù)能量守恒，在穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為0，即伏秒平衡原理。根據(jù)電感電流在一個開關(guān)周期內(nèi)是否連續(xù)，有三種工作模式，分別是CCM連續(xù)電流模式，BCM臨界電流模式和DCM不連續(xù)電流模式，如圖3所示。

圖3

1. CCM連續(xù)電流模式

根據(jù)伏秒平衡原理，CCM模式在穩(wěn)態(tài)情況下，開通周期D*T內(nèi)，電感電壓為（Vin-Vout）；關(guān)斷周期（1-D）*T內(nèi)，電感電壓為Vout，前后兩者乘積相等，即：

（Vin-Vout）DT=Vout（1-D）T，

其中，D為占空比，T為開關(guān)周期，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓，可以得到：

Vout/Vin=D。

由此可見CCM模式下傳遞函數(shù)等于占空比，且和負載電流無關(guān)。

CCM模式下的各波形如圖4所示，從中可知電感電流不會為0。在開關(guān)管SW導(dǎo)通期間，開關(guān)管電流IT從某個不為0的值開始上升，直到SW關(guān)斷時達到最大值。根據(jù)公式U=L*dI/dt可得，電流變化率dI/dt=U/L，因此SW導(dǎo)通期間內(nèi)的電流變化率為（Vin-Vout）/L，在此期間二極管電流ID為0；在開關(guān)管SW關(guān)斷期間，二極管電流ID開始下降，直到SW重新導(dǎo)通時達到最小值，同理可得電流變化率為Vout/L，在此期間開關(guān)管電流為0。在整個開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的周期內(nèi)，開關(guān)管電流IT和二極管電流ID組合起來就是電感的電流IL。

在開關(guān)管SW導(dǎo)通期間，SW點的電壓等于輸入電壓Vin；在開關(guān)管SW關(guān)斷期間為0（忽略二極管和開關(guān)管的壓降）。開關(guān)管SW導(dǎo)通期間，電感左端為輸入電壓Vin，電感右端為輸出電壓Vout，因此電感兩端電壓為（Vin-Vout）；在開關(guān)管SW關(guān)斷期間，電感左端電壓為0，右端為輸出電壓Vout，電感兩端電壓為（-Vout）。

圖4

以一個12V轉(zhuǎn)5V的Buck電路為例，測量得到SW引腳的電壓波形，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)在開關(guān)管閉合和斷開時，SW處都有一個很大的尖峰，對應(yīng)的電流波形也會有類似的情況，對圖中紅圈處的尖峰展開可以發(fā)現(xiàn)伴有振蕩現(xiàn)象，如圖6和圖7所示。這是由于二極管或者同步管的寄生電容，以及電路的寄生電感共同造成，**寄生電感不能瞬變的電流對電容進行充電造成電壓尖峰和電流尖峰，而振蕩是由于電感電容LC諧振造成的。**因此，一般會在二極管或者同步管兩端并聯(lián)一個RC吸收電路來解決這個問題。TI的LM25116芯片建議的RC吸收電路的電阻取值在5~50R之間，電容取幾個nf級別。

圖5

圖6

圖7

2. DCM不連續(xù)電流模式

隨著負載電流不斷下降，電感將進入DCM模式，此時傳遞函數(shù)、電流和電壓波形將發(fā)生很大變化，該模式下的輸出電流紋波也比CCM模式大。因此要想維持電感在CCM模式下，有最小負載電流值的要求。

穩(wěn)態(tài)情況下，根據(jù)伏秒平衡原理有：

（Vin-Vout）D1T=VoutD2T，得：

Vout/Vin=D1/(D1+D2)。

開關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止的時間長度為D1T；開關(guān)管截止，二極管導(dǎo)通的時間長度為D2T；開關(guān)管和二極管都截止的時間長長度為（1-D1-D2）*T，D2與電路參數(shù)有關(guān)。DCM模式下的各波形如圖8所示，從圖中可知電感電流在某段時間內(nèi)為0，此時負載電流由電容負責(zé)提供。

圖8

從圖中可以發(fā)現(xiàn)電感電壓存在振蕩現(xiàn)象，振蕩時間長短與電阻阻尼有關(guān)。下面分析原因。從電感電流波形可以看出，當(dāng)電流下降到0時，續(xù)流二極管截止，此時電感左端開路。理論上，電感沒有電流通過時，電感左右兩端電壓應(yīng)該相等，即電感左端電壓也應(yīng)該等于Vout。但實際上由于續(xù)流二極管兩端存在寄生電容，還有電阻的存在，因此相當(dāng)于和恒壓源Vout一起形成了RLC串聯(lián)阻尼諧振。為何CCM模式不會產(chǎn)生振蕩，因為電感電流不會下降到0，一直維持固定的電流方向，而LC諧振時充放電電流方向需要反復(fù)變化，該條件無法滿足，因此不會發(fā)生LC諧振。實際測試到LV2843芯片的DCM模式下SW點的電壓波形如圖9所示，該電路由于設(shè)計時電感偏小，因此振蕩較強。振蕩波形的時間長度隨電感值的增大可以在某種程度上相應(yīng)減小。負載電流越小，電感越小，就越容易進入DCM工作模式。

圖9

雖然Buck電路在DCM模式下也保持了輸出電壓恒定不變，但是電路狀態(tài)和CCM模式相比卻不同。在CCM模式下，輸出電壓Vout=Vin*D，與負載電流無關(guān)，即使負載發(fā)生變化，占空比也不會改變。在DCM模式下，根據(jù)小信號模型可以得到傳遞函數(shù)如下式所示，R為負載。根據(jù)該公式可以看出，開關(guān)管的占空比D將隨著負載電流的減小而減小。

這個公式并不需要我們?nèi)ビ洃?，只是幫助我們更好地理解DCM模式下的電路工作狀態(tài)。