BUCK電路關(guān)鍵器件選型

一、BUCK電路的定義

BUCK電路，又稱為降壓電路，是一種常見的直流至直流（DC-DC）電源轉(zhuǎn)換技術(shù)。它的主要特點是輸入電壓高于輸出電壓，且輸出電流為連續(xù)的，而輸入電流則為脈動的。通過調(diào)整PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號的占空比，可以靈活地設(shè)置輸出電壓的大小和穩(wěn)定性，滿足不同電子設(shè)備的供電需求。

二、BUCK電路的結(jié)構(gòu)

BUCK電路的基本結(jié)構(gòu)相對簡單但功能強(qiáng)大，主要由以下幾部分組成：

1. 功率開關(guān) ：通常使用MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）作為核心元件。MOSFET具有高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和良好的開關(guān)特性，能夠快速響應(yīng)控制信號并實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。在BUCK電路中，MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)閉狀態(tài)由控制電路產(chǎn)生的PWM信號控制，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。
2. 電感元件 ：電感是BUCK電路中的關(guān)鍵儲能元件，它通常采用線圈或電感器的形式。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，電感會儲存來自輸入電源的電能（以磁場能的形式）；當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，電感會釋放儲存的能量，通過二極管向負(fù)載供電。電感的這種儲能和釋能過程是實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。
3. 電容元件 ：電容在BUCK電路中起到平滑輸出電壓和減小電壓波動的作用。它能夠在MOSFET導(dǎo)通時儲存電荷，在MOSFET關(guān)閉時釋放電荷，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定性。電容的選擇需要綜合考慮其容量、電壓等級和ESR（等效串聯(lián)電阻）等因素，以確保電路的穩(wěn)定性和效率。
4. 二極管 ：在BUCK電路中，二極管主要起保護(hù)作用，防止MOSFET在關(guān)閉時受到反向電壓的沖擊。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，電感中的電流不能立即消失，此時二極管會導(dǎo)通，為電流提供一個通路，避免MOSFET因承受反向電壓而損壞。
5. 控制電路 ：控制電路是BUCK電路中的智能部分，它負(fù)責(zé)監(jiān)測和調(diào)整輸出電壓?？刂齐娐吠ǔ０妷翰蓸与娐?、比較器、PWM發(fā)生器等部分。電壓采樣電路用于檢測輸出電壓的大小，并將其轉(zhuǎn)換為電信號；比較器將檢測到的電壓信號與參考電壓進(jìn)行比較；PWM發(fā)生器根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號，控制MOSFET的開關(guān)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。

三、BUCK電路的工作原理

當(dāng)開關(guān)管（如S）驅(qū)動為高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，此時儲能電感（如L）被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加。同時，電容（如C）開始充電，為負(fù)載（如R）提供所需的能量。而當(dāng)開關(guān)管驅(qū)動為低電平時，開關(guān)管關(guān)斷，儲能電感通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少。在這個過程中，輸出電壓主要依靠輸出濾波電容放電以及逐漸減小的電感電流來維持。

四、BUCK電路關(guān)鍵器件選型

1、控制器芯片選型

控制器芯片的選型需要根據(jù)實際應(yīng)用場景進(jìn)行選擇。以下是一些關(guān)鍵的選型考慮因素：

1. 技術(shù)參數(shù) ：控制器首先要滿足開關(guān)電源電路的各項技術(shù)參數(shù)，如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、輸出電流大小等。
2. 工作環(huán)境 ：控制器要滿足電路的工作環(huán)境要求，如溫度范圍、濕度范圍等。
3. 成本控制 ：在成本控制范圍內(nèi)選擇適合的電源方案。
4. 模擬控制器與數(shù)字控制器 ：數(shù)字控制器外圍電路簡單，在線調(diào)試更容易，并可以根據(jù)應(yīng)用靈活配置。模擬控制器則可能需要更多的外圍電路和調(diào)試工作。
5. 單相與多相 ：根據(jù)輸出電流大小來選擇相數(shù)。相數(shù)不夠則無法滿足電流需求，相數(shù)過多則成本增加。一般來說，輸出電流30A以下選擇單相控制器即可；超過30A則增加至2相或更多相。
6. 通信協(xié)議 ：對于數(shù)字控制器而言，要考慮控制器芯片支持哪些通信協(xié)議，以滿足主控芯片對于通信接口的分配。

2、功率MOS管選型

功率MOS管是BUCK電路中的關(guān)鍵元件之一，其選型需要綜合考慮以下因素：

1. Vds耐壓 ：保證實際MOS管工作時DS兩端壓差小于Vds耐壓，避免MOS管被擊穿?？紤]到電路實際工作時MOS管DS兩端的波形會有振鈴，Vds耐壓一般選擇比輸入電壓高10V以上。
2. Id電流 ：保證輸出峰值電流不超過Id。MOS規(guī)格書標(biāo)明的Id電流是基于Rdson和最大功率Pd計算得來的，沒有考慮開關(guān)損耗，因此不能直接跟MOS的Irms進(jìn)行比較，需要計算MOS整體的損耗來確定選型。
3. Rdson和Qg ：這兩個參數(shù)影響MOS管的損耗。原則上上管選擇Qg更低的MOS管，下管選擇Rdson小的MOS。如果BUCK電路PWM的占空比較大（>50%），上管的導(dǎo)通損耗也不容忽視，需要Qg和Rdson兩個參數(shù)都小。另外還可以通過降低MOS管的開關(guān)頻率或者將MOS管并聯(lián)來降低開關(guān)損耗。

3、功率電感選型

功率電感是BUCK電路中的另一個關(guān)鍵元件，其選型需要綜合考慮以下因素：

1. 感值 ：電感的感值會影響輸出電源紋波和動態(tài)響應(yīng)。電感的感值可使用公式計算得出，其中r是電流紋波率，一般選擇0.3~0.5左右。實際應(yīng)用時需要根據(jù)實際測試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。
2. 飽和電流Isat ：選擇電感時首先要保證飽和電流Isat大于電感電流峰值Ipeak，從而避免電感飽和，感值下降造成MOS和電感損壞。
3. 溫升電流Irms ：從電感的工作溫度和損耗的角度出發(fā)，選型時盡量讓溫升電流Irms大于電感電流的有效值。
4. DCR（直流電阻） ：如果電源電路使用電感DCR做電流檢測時，為了保證檢測結(jié)果的一致性，電感的DCR精度盡量選擇±5%以內(nèi)。
5. 耐壓值 ：根據(jù)電路的實際工作電壓選擇合適的耐壓值。

4、濾波電容選型

濾波電容在BUCK電路中起到平滑輸出電壓和減小電壓波動的作用。其選型需要綜合考慮以下因素：

1. 容值 ：電容的容值影響濾波和穩(wěn)壓的效果。理論上容值越大，效果越好。但實際上電容的頻率-阻抗特性曲線并非線性，不同電容的特性曲線也不一樣。因此需要針對不同頻段的電源噪聲，選擇不同容值的電容組合濾波。在BUCK電路的輸入和輸出端，一般選擇大容值的固態(tài)電解電容跟小容值的MLCC組合，以實現(xiàn)全頻段都有較低的阻抗。
2. 最大紋波電流 ：電容紋波電流有效值要大于實際輸入電容的紋波電流。
3. ESR（等效串聯(lián)電阻） ：電容的ESR主要影響電源紋波，同時也跟電容的紋波電流有效值相關(guān)。一般情況下，電容的ESR越小，紋波電流有效值越大。

5、續(xù)流二極管選型

續(xù)流二極管在BUCK電路中主要起保護(hù)作用，防止MOSFET在關(guān)閉時受到反向電壓的沖擊。其選型需要綜合考慮以下因素：

1. 反向電壓額定值 ：必須等于或大于VIN（max）。
2. 峰值電流額定值 ：必須大于最大電感電流。

6、其他輔助元件選型

在BUCK電路中，除了上述主要元件外，還有一些輔助元件如電阻、保險絲、熱敏電阻等，它們的選型同樣重要，對電路的穩(wěn)定性和安全性有著不可忽視的影響。

1. 電阻選型

電阻在BUCK電路中常用于限流、分壓、采樣等。選型時需要考慮其阻值、功率、精度等參數(shù)。

• 阻值 ：根據(jù)電路設(shè)計需求選擇合適的阻值，確保電路正常工作。
• 功率 ：電阻的功率需大于其在電路中的實際功耗，以防止電阻過熱損壞。
• 精度 ：對于需要精確控制的電路，如電壓采樣電路，需要選擇高精度的電阻。

2. 保險絲選型

保險絲在電路中起到過流保護(hù)作用，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路或過載時，保險絲會熔斷，切斷電路，防止故障擴(kuò)大。選型時需要考慮其額定電流、熔斷時間等參數(shù)。

• 額定電流 ：保險絲的額定電流需大于電路的正常工作電流，但小于電路的短路或過載電流。
• 熔斷時間 ：根據(jù)電路對保護(hù)速度的要求選擇合適的熔斷時間。

3. 熱敏電阻選型

熱敏電阻常用于溫度監(jiān)測和保護(hù)。選型時需要考慮其阻值-溫度特性、精度、響應(yīng)時間等參數(shù)。

• 阻值-溫度特性 ：根據(jù)電路對溫度監(jiān)測的要求選擇合適的阻值-溫度特性曲線。
• 精度 ：對于需要精確溫度控制的電路，需要選擇高精度的熱敏電阻。
• 響應(yīng)時間 ：根據(jù)電路對溫度變化的響應(yīng)速度要求選擇合適的熱敏電阻。

7、散熱設(shè)計

在BUCK電路中，功率開關(guān)（如MOSFET）和功率電感等元件在工作時會產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱不良，會導(dǎo)致元件溫度升高，性能下降，甚至損壞。因此，散熱設(shè)計是BUCK電路設(shè)計中不可忽視的一環(huán)。

• 散熱片選型 ：根據(jù)元件的功耗和散熱需求選擇合適的散熱片。散熱片的材質(zhì)、尺寸、形狀等都會影響其散熱效果。
• 風(fēng)道設(shè)計 ：在電路板布局時，應(yīng)合理設(shè)計風(fēng)道，確?？諝饽軌蝽槙沉鲃?，帶走元件產(chǎn)生的熱量。
• 熱敏元件布局 ：將熱敏元件（如熱敏電阻）放置在靠近發(fā)熱元件的位置，以便及時監(jiān)測溫度，進(jìn)行過熱保護(hù)。

8、測試與驗證

在完成BUCK電路的元件選型和布局設(shè)計后，需要進(jìn)行詳細(xì)的測試與驗證，以確保電路的性能和安全性滿足設(shè)計要求。

• 功能測試 ：驗證電路是否能夠正常工作，輸出穩(wěn)定的電壓和電流。
• 性能測試 ：測試電路的轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓紋波、負(fù)載調(diào)整率等性能指標(biāo)。
• 安全性測試 ：進(jìn)行短路保護(hù)、過載保護(hù)、過溫保護(hù)等安全性測試，確保電路在異常情況下能夠安全地切斷電源。
• 環(huán)境適應(yīng)性測試 ：將電路置于不同的環(huán)境條件下（如高溫、低溫、潮濕等），測試其性能和穩(wěn)定性。

五、結(jié)論

BUCK電路作為一種常見的直流至直流電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，在電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。在設(shè)計BUCK電路時，需要綜合考慮元件選型、布局設(shè)計、散熱設(shè)計等多個方面，以確保電路的性能、安全性和穩(wěn)定性。通過合理的元件選型和精細(xì)的設(shè)計，可以構(gòu)建出高效、穩(wěn)定、安全的BUCK電路，為電子設(shè)備提供可靠的電源保障。同時，在設(shè)計和測試過程中，還需要不斷積累經(jīng)驗，優(yōu)化設(shè)計方案，以適應(yīng)不斷變化的電子設(shè)備需求。