Buck電源工作原理詳解

Buck電源拓?fù)浣Y(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(kāi)關(guān)管SW開(kāi)通時(shí)，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(guò)電感給負(fù)載RL供電，同時(shí)電感和電容儲(chǔ)能，電感電流IL逐漸增大，如圖1中藍(lán)色環(huán)路所示；2.開(kāi)關(guān)管SW關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流IT=0，電感由于自身的自感電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)二極管D續(xù)流，繼續(xù)給負(fù)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(guò)程中，開(kāi)關(guān)管以很高的頻率（一般為幾十KHz到MHz的量級(jí)）不斷地重復(fù)開(kāi)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(gè)開(kāi)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(gè)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)CCM模式下傳遞函數(shù)等于占空比，且和負(fù)載電流無(wú)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(huì)為0。在開(kāi)關(guān)管SW導(dǎo)通期間，開(kāi)關(guān)管電流IT從某個(gè)不為0的值開(kāi)始上升，直到SW關(guān)斷時(shí)達(dá)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(kāi)關(guān)管SW關(guān)斷期間，二極管電流ID開(kāi)始下降，直到SW重新導(dǎo)通時(shí)達(dá)到最小值，同理可得電流變化率為Vout/L，在此期間開(kāi)關(guān)管電流為0。在整個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管電流IT和二極管電流ID組合起來(lái)就是電感的電流IL。

在開(kāi)關(guān)管SW導(dǎo)通期間，SW點(diǎn)的電壓等于輸入電壓Vin；在開(kāi)關(guān)管SW關(guān)斷期間為0（忽略二極管和開(kāi)關(guān)管的壓降）。開(kāi)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(kāi)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(gè)12V轉(zhuǎn)5V的Buck電路為例，測(cè)量得到SW引腳的電壓波形，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)在開(kāi)關(guān)管閉合和斷開(kāi)時(shí)，SW處都有一個(gè)很大的尖峰，對(duì)應(yīng)的電流波形也會(huì)有類(lèi)似的情況，對(duì)圖中紅圈處的尖峰展開(kāi)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(duì)電容進(jìn)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(huì)在二極管或者同步管兩端并聯(lián)一個(gè)RC吸收電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(gè)nf級(jí)別。

圖5

圖6

圖7

2. DCM不連續(xù)電流模式

隨著負(fù)載電流不斷下降，電感將進(jìn)入DCM模式，此時(shí)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(fù)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止的時(shí)間長(zhǎng)度為D1T；開(kāi)關(guān)管截止，二極管導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)度為D2T；開(kāi)關(guān)管和二極管都截止的時(shí)間長(zhǎng)長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)為0，此時(shí)負(fù)載電流由電容負(fù)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(shí)間長(zhǎng)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(shí)，續(xù)流二極管截止，此時(shí)電感左端開(kāi)路。理論上，電感沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，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(shí)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(huì)產(chǎn)生振蕩，因?yàn)殡姼须娏鞑粫?huì)下降到0，一直維持固定的電流方向，而LC諧振時(shí)充放電電流方向需要反復(fù)變化，該條件無(wú)法滿(mǎn)足，因此不會(huì)發(fā)生LC諧振。實(shí)際測(cè)試到LV2843芯片的DCM模式下SW點(diǎn)的電壓波形如圖9所示，該電路由于設(shè)計(jì)時(shí)電感偏小，因此振蕩較強(qiáng)。振蕩波形的時(shí)間長(zhǎng)度隨電感值的增大可以在某種程度上相應(yīng)減小。負(fù)載電流越小，電感越小，就越容易進(jìn)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(fù)載電流無(wú)關(guān)，即使負(fù)載發(fā)生變化，占空比也不會(huì)改變。在DCM模式下，根據(jù)小信號(hào)模型可以得到傳遞函數(shù)如下式所示，R為負(fù)載。根據(jù)該公式可以看出，開(kāi)關(guān)管的占空比D將隨著負(fù)載電流的減小而減小。

這個(gè)公式并不需要我們?nèi)ビ洃洠皇菐椭覀兏玫乩斫釪CM模式下的電路工作狀態(tài)。