BUCK電源工作原理

**工作模型：BUCK電源是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，有一個經(jīng)典的比喻：輸入電容像是高的蓄水池，輸出電容是低的蓄水池，電感就像是水杯。把一杯一杯的水從大水池搬運到小水池實現(xiàn)了能量的傳遞。當輸出電壓降低，就增加每次水杯中的量或者增加搬運的頻率。

電源拓撲：一種合適的電路結(jié)構(gòu)，在電路使能變換過程中按自然趨勢發(fā)展，在合適的條件下，就可以獲得穩(wěn)定的狀態(tài)，此后，系統(tǒng)就會保持于穩(wěn)定的狀態(tài)。

BUCK芯片內(nèi)部框圖

BUCK之同步與異步

同步與異步：在DCDC降壓電路中存在同步整流和異步整流兩種工作方式。區(qū)分同步和異步的方法就是看拓撲二極管的位置，如果是兩個開關(guān)管就是同步，兩個MOS稱為上管，下管。異步就只有一個開關(guān)管，另外一個使用二極管。可以這樣理解，同步就是控制上下兩個MOS控制要同步，上開下閉，上閉下開，避免兩個MOS同時導(dǎo)通。而外置二極管的異步卻不存在這個問題。

如下為同步整流：

如下為異步整流：

BUCK電源還有一個電容需要單獨說明下，就是自舉電容：

**自舉電容作用** ：由于上端MOSFET需要的柵極電壓大于輸入電壓，因此需要在SW和BS之間連接一個升壓電容器來驅(qū)動高端柵極。當SW為低電平時，升壓電容器從內(nèi)部電源軌充電。

如上圖所示當上管關(guān)閉，下管導(dǎo)通時 ，自舉電容開始充電，電感開始放電.充放電回路如圖標識。這里我們忽略二極管的導(dǎo)通壓降，就認為SW點的點位約等于0電平。那么，自舉電容充電完成后的電壓約等于Vreg5。

如上圖當電感儲存的能量泄放完，需要驅(qū)動上管導(dǎo)通時，而上管的S極是接在SW上，下管也關(guān)斷，這樣就沒了回路，我們可以認為上管是懸浮在半空中。只是單純的讓G極輸出高電平，并不能讓上管導(dǎo)通。自舉電容并聯(lián)在驅(qū)動電路兩端。正是Cboot，將原本懸浮的驅(qū)動電路的兩個電源端V+/V-之間建立了電位差。這個電位差剛好是Vreg5(大于Vth)。故上管能夠?qū)ā?/p>

如上圖當上管導(dǎo)通后，A點電位突變?yōu)閂IN，即V-電位變成VIN（遠遠高于Vreg5）。如果V+依舊保持Vreg5的電位，那上管就要被迫關(guān)閉。正是由于Cboot的存在，Cboot電容兩端電壓差不能突變，B點電位變VIN+Vreg5。這樣對Cboot而言，電壓差依然是VCC。對MOS 驅(qū)動而言，以A點電位為參考，輸出高電平時，Vgs依然是VCC，大于Vth，可以讓上管持續(xù)導(dǎo)通。

問題：是不是所有的BUCK芯片都需要自舉電容？

接下來我們來看看電感：

buck降壓電路中，電感起降壓、儲能作用。

電感伏秒法則（CCM）：

電感電流：

Ipk為負載紋波電流的最大峰值電流，以此值作為電感的最低額定電流值使用，可以有效預(yù)防電感飽和，為保險起見實際工程設(shè)計時會在此基礎(chǔ)上放置1.5倍余量.

電流紋波率r：電流紋波率表示電感電流的交流分量與直流分量的幾何比例。電流紋波率將電感的直流分量和交流分量用數(shù)學(xué)建立了關(guān)系。

在Buck變換器中，如果電流紋波率r、最大輸入電壓Vmax、最大負載電流Imax三個參數(shù)確定，其他的參數(shù)均能確定。在工程中，r取值范圍是0~2，當r為0時，紋波電流為0，這種情況屬于理想值，電感需要無窮大。當r為2時，Iac=Idc，此時變換器工作于BCM模式。因此，r僅適用于電感電流連續(xù)模式。且在實際設(shè)計中一般取r=0.2~0.5。

由電感方程V=L*dI/dt可知電壓與電流的斜率有關(guān)，與電流的實際值無關(guān)。因此，對給定的Von與Voff，可能由多個電流波形，每個對應(yīng)波形段有相同的dI/dt。每種可能情況，代表一種工作模式如下圖所示：

DCM:開關(guān)關(guān)斷期間，電感電流下降，當電感電流下降到0時，下一周期開關(guān)導(dǎo)通，電感電流就開始增加。這種工作模式稱為不連續(xù)導(dǎo)通模式。即每周期內(nèi)電感中的電流均有為0的階段。

CCM:開關(guān)關(guān)斷期間，電感電流下降，當電感電流下降到某一非0值時，下一周期開關(guān)導(dǎo)通，電感電流就開始增加。這種工作模式稱為連續(xù)導(dǎo)通模式。即每周期內(nèi)電感中的電流均大于0。

BCM:在Buck轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)關(guān)斷期間，電感電流下降，當電感電流剛好下降為0，下一周期開關(guān)導(dǎo)通時，電感電流從0開始增加。這種工作模式稱為臨界導(dǎo)通模式。

前面我們講解了buck的工作原理，那么我們在時間應(yīng)用中，如何做好BUCK電源的設(shè)計呢？我們以一個12V輸入，輸出3.3V/3A舉例說明，下圖是采用TI-TPS54329實現(xiàn)12V轉(zhuǎn)3.3V/3A電路外圍原理圖：

從TPS54329規(guī)格書中我們可以知道：輸入范圍為4.5-18V，輸出3A開關(guān)頻率650Khz.我們該如何設(shè)計其他參數(shù)呢？

我們一般設(shè)計buck電路時，需要設(shè)計的到計算的，主要有兩個部分1.分壓電阻，2，電感感值。當然這些參數(shù)規(guī)格書都會給出參考的值。

當然，如果大家熟悉BUCK芯片的工作原理，熟悉電感的推導(dǎo)過程，其實我們只要知道電源的輸入，輸出，負載，開關(guān)頻率等參數(shù)，我們自己也可以推導(dǎo)出電感的值，有興趣的同學(xué)可以自己推導(dǎo)試試，這方面的資料很多，我就不在這里贅述了。

設(shè)計好BUCK電源的外圍電路之后，layout又該注意些什么呢？我想有以下幾點需要考慮（可能不完整，歡迎大家補充）

1. 輸入電源和地盡量的寬，降低線路阻抗。
2. 將輸入電容器和續(xù)流二極管，電感置于與IC端子相同的PCB表面層上，并盡可能靠近IC。輸出電容靠近電感放。
3. 檢測輸出電壓的部分必須在輸出電容器之后或在輸出電容器的兩端連接。
4. VFB節(jié)點的跡線應(yīng)盡可能小，以避免噪聲耦合。保證反饋環(huán)路盡量小。
5. 將導(dǎo)線遠離電感和二極管的開關(guān)節(jié)點。不要直接在電感和Q二極管下方接線，也不要與電源線并聯(lián)。

做好前期設(shè)計之后，我們又該如何測試這個電路呢，有哪些參數(shù)需要我們?nèi)y試呢？分享一個測試用例給大家？