開關(guān)電源：BUCK轉(zhuǎn)換電路的工作原理

開關(guān)電源（Switching Mode Power Supply）即開關(guān)穩(wěn)壓電源，是相對于線性穩(wěn)壓電源的一種的新型穩(wěn)壓電源電路，它通過對輸出電壓實時監(jiān)測并動態(tài)控制開關(guān)管導(dǎo)通與斷開的時間比值來穩(wěn)定輸出電壓。

由于開關(guān)電源效率高且容易小型化，因此已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代大多數(shù)電子產(chǎn)品中。如果說每個現(xiàn)代家庭都至少有一個開關(guān)電源都不為過，如電視機（彩色的）、電腦、筆記本、電磁爐等等內(nèi)部都有開關(guān)電源，蝦米？這些東西你們家都沒有？我去！那手機有沒有？手機充電器也是一個小型的開關(guān)電源，中招了吧！手機也沒有，那就是古代家庭了，忽略之！

如下圖所示為線性穩(wěn)壓電源電路的基本原理圖：

之所以稱其為線性電源，是因為其穩(wěn)定輸出電壓的基本原理是：通過調(diào)節(jié)調(diào)整管（如三極管）的壓降VD來穩(wěn)定相應(yīng)的輸出電壓VO，也因調(diào)整管處于線性放大區(qū)而得名。如果某些因素使得輸出電壓VO下降了，則控制環(huán)路降低調(diào)整管的壓降VD，從而保證輸出電壓Vo不變，反之亦然，但這樣帶來的缺點是調(diào)整管消耗的功率很大，使得該電路轉(zhuǎn)換效率低下，當(dāng)然，線性電源的優(yōu)點是電路簡單，紋波小，但是在很多應(yīng)用場合下，轉(zhuǎn)換效率才是至關(guān)重要的。

為了進一步提升穩(wěn)壓電路中的轉(zhuǎn)換效率，提出用處于開關(guān)狀態(tài)的調(diào)整管來代替線性電源中處于線性狀態(tài)中的調(diào)整管，而BUCK變換器即開關(guān)電源基本拓撲之一，如下圖所示：

其中，開關(guān)K1代表三極管或MOS管之類的開關(guān)管（本文以MOS管為例），通過矩形波控制開關(guān)K1只工作于截止?fàn)顟B(tài)（開關(guān)斷開）或?qū)顟B(tài)（開關(guān)閉合），理想情況下，這兩種狀態(tài)下開關(guān)管都不會有功率損耗，因此，相對于線性電源的轉(zhuǎn)換效率有很大的提升。

開關(guān)電源調(diào)壓的基本原理即面積等效原理，亦即沖量相等而形狀不同的脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時其效果基本相同，如下圖所示：

同樣是從輸入電源10V中獲取5V的輸出電壓，線性穩(wěn)壓電源的有效面積為5×T，而對應(yīng)在開關(guān)穩(wěn)壓電源的單個有效周期內(nèi)，其有效面積為10×T×50%（占空比）=5×T，這樣只要在后面加一級濾波電路，兩者的輸出電壓有效值（平均值）是相似的。

下面我們來看看BUCK轉(zhuǎn)換電路的工作原理（假設(shè)高電平開關(guān)閉合，低電平開關(guān)斷開）。

當(dāng)開關(guān)K1閉合時，輸入電源VI通過電感L1對電容C1進行充電，電能儲存在電感L1的同時也為外接負載RL提供能源。

當(dāng)開關(guān)K1斷開時，由于流過電感L1的電流不能突變，電感L1通過二極管D1形成導(dǎo)通回路（二極管D1也因此稱為續(xù)流二極管），從而對輸出負載RL提供能源，此時此刻，電容C1也對負載RL放電提供能源。

相關(guān)波形如下圖所示：

通過控制開關(guān)K1的導(dǎo)通時間（占空比）即可控制輸出電壓的大?。ㄆ骄担?，當(dāng)控制信號的占空比越大時，輸出電壓的瞬間峰值越大，則輸出平均值越大，反之，輸出電壓平均值越小，理想狀態(tài)下（忽略損耗），則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下式：

其中，Ton表示一個周期內(nèi)開關(guān)閉合的時間，Toff表示一個周期內(nèi)開關(guān)斷開的時間，Ton/（Ton+Toff）也叫做矩形波的占空比，即一個周期內(nèi)高電平脈沖寬度與整個周期的比值，亦即輸出電壓為輸入電壓與控制信號占空比的乘積，如下圖所示：

BUCK變換拓撲通過配合相應(yīng)的控制電路，實時監(jiān)測輸出電壓的變化，適時地動態(tài)調(diào)整占空比開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時間的比值，即可達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，如下圖所示：

這種通過控制占空比的方式也叫做脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation, PWM），它是一種頻率固定而占空比變化的控制試，相應(yīng)地，也有脈沖頻率調(diào)制技術(shù)（Pulse frequency Modulation, PFM），或兩者的結(jié)合。

從公式中也可以看出，BUCK拓撲結(jié)構(gòu)只能用來對輸入電壓VI進行降壓處理（升壓方案可參考Boost拓撲），因為控制信號的占空比是不可能超過1的，這一點與線性電源是類似的，而且設(shè)計比較好的開關(guān)電源電路，其效率可達到90%以上，這看起來似乎是個不錯的降壓穩(wěn)壓方案，但任何方案都不會是完美的，隨之而來的問題也接踵而至，比如紋波、噪聲、EMI等問題，下面我們簡單介紹一下：

紋波即上圖所示的輸出電壓波動成分的峰峰值，自然是越小越好。要降低紋波有很多途徑，增大電感量或電容量就是常用的途徑之一，電感量或電容量增加后，充放電速度（時間常數(shù)增大）都會下降，相應(yīng)的紋波峰峰值也會下降，如下圖所示：

對于具體的BUCK拓撲降壓芯片，廠家都會提供典型的應(yīng)用電路及相關(guān)的參數(shù)值，如下圖所示為TI公司的集成降壓芯片LM2596典型應(yīng)用電路圖：

我們也可以通過提高開關(guān)的頻率來降低紋波，這樣，在同樣的電感量與電容量條件下，每次充放電的時間縮短了，這樣紋波的峰峰值就下降了，如下圖所示：

換句話說，在相同的紋波值條件下，如果選擇開關(guān)頻率較高的芯片，電感與電容值相對會小一些（即成本低一些），如下圖所示為LM2596的內(nèi)部開關(guān)頻率為150KHz，相應(yīng)的也有超過MHz的開關(guān)頻率芯片。

我們用下圖所示的電路參數(shù)仿真：

其中，信號發(fā)生器XFG1設(shè)置驅(qū)動峰值電壓為12V，頻率為150KHz，占空比50%，如下圖所示：

而監(jiān)測的電路參數(shù)主要是開關(guān)之后的電壓、電感電流及輸出電壓（理論計算應(yīng)為6V），我們看看下圖所示的仿真結(jié)果：

其中，紅線表示電感電流，綠線表示開關(guān)后的電壓，藍線表示輸出電壓（其值為5.7V）?？雌饋磔敵鲭妷哼€是比較穩(wěn)定的，我們將輸出電壓曲線放大一下并測量一下其紋波值，如下圖所示：

紋波峰峰值為2.25mV，還是比較低的（實際的電路很有可能沒這么低，特別是接上開關(guān)之類負載之后）

還有一個效率問題，與線性電源不同的是，BUCK變換器的輸入電流與輸出電流是不一樣的，因此，不能簡單地用輸出電壓與輸入電壓的比值來表征，我們只有用最原始的方法了，就是計算輸出功率與輸入功率的比值，如下式：

仿真電路如下圖所示：

續(xù)流二極管也是損耗的一種來源，由于續(xù)流二極管存在一定的壓降，只要續(xù)流二極管中有電流就存在損耗，即P=ID×VD，很明顯，降低二極管損耗的有效辦法是選擇低壓降的二極管，如肖特基二極管，但是低壓降的肖特基二極管漏電流與結(jié)電容也大，會產(chǎn)生更大的損耗，因此需要綜合各種因素考慮，我們也可以采用同步整流的方案，即使用MOS管來代替續(xù)流二極管，如下圖所示：

同步整流電路方案中，Q1導(dǎo)通時Q2截止，則Q1截止時Q2導(dǎo)通，即可代替肖特基二極管的續(xù)流功能。假設(shè)原方案中的肖特基二極管壓降為0.4V，流過其中的電流為3A，則損耗的功率為1.2W，如果選擇導(dǎo)通電阻較小的MOS管（如0.01歐姆），則同樣的電流條件下?lián)p耗為0.09W，大大提高了電路的效率。

理想的MOS管在工作時（即導(dǎo)通或截止）的壓降及流過其中的電流應(yīng)如下圖所示：

其中，VDS表示MOS管兩端的壓降，而ID表示流經(jīng)MOS管的電流，在任意時刻，VDS與ID都會有一個參數(shù)為0，因此消耗的功率P=U×I也應(yīng)當(dāng)是0，但是實際MOS管的開關(guān)與閉合都是需要過渡時間的，真實的開/關(guān)狀態(tài)如下圖所示：

在陰影區(qū)域，電流與電壓都不再為零而引起了開關(guān)損耗，它主要與開關(guān)的切換頻率有關(guān)，頻率越高則單位時間內(nèi)開關(guān)的次數(shù)越多，因此相應(yīng)的開關(guān)損耗也越大。

另外，為避免開關(guān)電源帶來的EMI問題，應(yīng)該對開關(guān)電源電路的PCB布局布線格外關(guān)注，如下圖所示：

在進行PCB布局布線時，應(yīng)盡量使開關(guān)管與相關(guān)的續(xù)流二極管、儲能電感及輸出電容的電流回路是最小的，LM2596S布局布線實例如下圖所示：