BUCK電路設(shè)計(jì)及原理詳解

下圖分別是（左）異步BUCK與 （右）同步BUCK電路示意圖。

我們都知道BUCK是通過控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷把輸入的能量傳遞到輸出。

同步VS異步：異步BUCK下管是二極管，同步BUCK下管為MOS管。 由于MOS的導(dǎo)通電阻Rds_on小(約10~20mΩ)，二極管壓降為0.7V左右，當(dāng)續(xù)流電流有效值為10A，續(xù)流期間同步BUCK帶來的導(dǎo)通損耗約是異步BUCK的三分之一。 因此，我們看到一般BUCK芯片如果是異步BUCK，二極管都會(huì)外置，不然芯片的損耗太大會(huì)使整體效率降低。

接下來我們以TI的一個(gè)36V/3A的同步BUCK -LMR23630 為例 一步步帶大家了解BUCK的設(shè)計(jì)過程。

Step 1---簡單看看BUCK數(shù)據(jù)手冊(cè)：了解LMR23630芯片基本功能。

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我們看SOIC-8封裝左側(cè)的四個(gè)引腳: SW、 BOOT、 VCC、 FB：

Pin1 SW:上管和下管的中點(diǎn)，SW接輸出濾波電感后接輸出電容。 一般排查BUCK工作是否OK需要看SW波形是否正常switching。

Pin2 BOOT:用來給上管關(guān)斷時(shí)，DS兩端提供穩(wěn)定電壓。 當(dāng)下管斷開，SW浮地，驅(qū)動(dòng)打開上管需要上管的driver供電與上管DS通過CBOOT（自舉電容）建立VCC的電壓。 別迷糊，從block可以看到，VIN通過芯片內(nèi)部LDO給上下管的driver供電，同時(shí)鉗位上管DS電壓，也即是說當(dāng)上管的DS電壓穩(wěn)定后，給上管柵極一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs大于零后，上管才能打開。

Pin3 VCC：就是給內(nèi)部邏輯和driver供電的LDO輸出的引腳，需要加電容對(duì)地。

Pin4 FB：反饋腳，通過上篇BUCK控制模式中的PCM控制閱讀后，（BUCK控制 加連接）我們知道FB是誤差放大器的輸入，把輸出電壓反饋給EA做閉環(huán)控制，因此一般BUCK在正常工作的時(shí)候，F(xiàn)B電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，輸出電壓也通過FB電壓進(jìn)行分壓計(jì)算。

Step 2---根據(jù)典型推薦電路設(shè)計(jì)外圍參數(shù)

1.輸入電容CIN：

a.輸入電容決定輸入電壓紋波ΔVin。

CIN=Iout/(4ΔVinfsw)，ΔVin一般取10%Vin

b.由輸入電流有效值公式：Icin_rms=Iout[D(1-D)]^0.5 可知，D=0.5時(shí)，輸入電容電流的紋波最大：Icin_rms(max)=0.5Iout

因此對(duì)于CIN 選擇RMS額定電流值大于0.5Iout即可。

實(shí)際案例探討：對(duì)于建議輸入電容值較大（22uF/47uF）的應(yīng)用，建議采用多個(gè)輸入陶瓷電容并聯(lián)會(huì)讓輸入電容整體ESR更小，從而減小熱損耗。

2.CVCC電容：

內(nèi)部LDO對(duì)地的電容，越大LDO供電越穩(wěn)定，意味著給MOS driver供電電源越穩(wěn)定，但是太大也會(huì)讓內(nèi)部邏輯部分和MOS driver供電電源建立的變慢。 需要根據(jù)不同應(yīng)用綜合考慮。

實(shí)際案例探討：30V轉(zhuǎn)15V場合下，此時(shí)輸入電容的電流在上管開通時(shí)階躍最大，如果測試發(fā)現(xiàn)BUCK啟動(dòng)瞬間VCC對(duì)AGND超數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格（4.5V），適當(dāng)增加VCC對(duì)AGND電容可以有效減小VCC對(duì)GND啟動(dòng)時(shí)的電壓尖峰。

3.輸出電感：

輸出濾波電感用來儲(chǔ)存能量并且對(duì)輸出電流進(jìn)行濾波。根據(jù)以下輸出電感和輸出電流紋波的公式可計(jì)算電感感值，一般IRIPPLE取10%~30%的IOUT。

實(shí)際案例探討：Q：輸出電感可不可以是數(shù)據(jù)手冊(cè)建議值的10倍，20倍？ 電感越大是不是電流濾波的效果越好？ A:實(shí)際無論是輸出電感還是輸出電容都絕不是越大越好??！ BUCK Bode圖中，主極點(diǎn)由輸出LC決定。 （對(duì)系統(tǒng)環(huán)路穩(wěn)定性有懵比的朋友可以回頭看 環(huán)路穩(wěn)定 插入鏈接），簡化主極點(diǎn)是1/[2π(LC)^0.5]，當(dāng)LC取值過大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的帶寬變小，響應(yīng)速度變慢，大的過分甚至?xí)?dǎo)致工作異常。

4.輸出電容：

輸出電容儲(chǔ)存能量穩(wěn)定電壓并且對(duì)輸出電壓濾波，根據(jù)以下輸出電容和輸出電壓紋波的公式可以計(jì)算電容容值，一般ESR值很小，可以忽略。

實(shí)際案例探討：輸出電容可以采用電解電容么？？ 我們知道電解電容的ESR大，“衰老”的速度也比較快，占地面積也大，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)手冊(cè)中多數(shù)建議采用陶瓷電容。 有的數(shù)據(jù)手冊(cè)并沒有明確指出輸出電容類型。 我們可以知道的是輸出電容的建議值是降額之后的值，并且除了輸出電壓紋波之外其建議值和環(huán)路穩(wěn)定性以及響應(yīng)特性相關(guān)。 實(shí)際輸出電容種類并不重要，重要的是電容容值合理，建議不超過數(shù)據(jù)手冊(cè)建議值的3倍。

5.開機(jī)：

自舉電容的容值決定了給上管DS和其driver 供電電源充電的時(shí)間和穩(wěn)定性。 一般情況下可以預(yù)取建議值，再根據(jù)具體工況調(diào)整，CBOOT可預(yù)留一個(gè)串聯(lián)的電阻位置，用來調(diào)整上管開關(guān)速度來降低EMI。

實(shí)際案例探討：如在啟動(dòng)中，CBOOT對(duì)SW存在電壓過沖，可以適當(dāng)增大CBOOT容值，增加電源穩(wěn)定性。 還可以通過串聯(lián)電阻降低上管開關(guān)速度，也可以降低CBOOT對(duì)SW電壓過沖。

6.CFF：

反饋電容從時(shí)域上理解即把輸出更快的反饋到FB，從而增加系統(tǒng)響應(yīng)速度。

以上理解了BUCK芯片的工作模式以及基本引腳的功能后，就可以合理靈活的設(shè)計(jì)BUCK電路。