DC-DC Buck 电路（降压转换器）全面解析

Buck 电路是嵌入式 / 硬件设计中最常用的非隔离型 DC-DC 降压转换器 ，核心功能是将输入高压直流（Vin）转换为更低的稳定直流输出（Vout < Vin），广泛应用于 STM32、MCU、传感器、电源模块等硬件设备中（如 5V 转 3.3V 给单片机供电、12V 转 5V 给 USB 设备供电）。

一、核心原理（通俗版 + 专业版）

1.Buck 电路类似 "高速开关 + 储能滤波" 的组合：

开关（MOS 管）快速通断（频率通常 10kHz~1MHz），将输入电压 "切" 成脉冲信号；
电感（L）和电容（C）组成低通滤波器，将脉冲信号 "抹平" 为平稳的直流电压；
反馈电路实时监测输出电压，调整开关通断时间（占空比），保证输出稳定。

2. 专业原理（理想状态）

**导通阶段（开关闭合）**Vin 通过 MOS 管给电感 L 充电，电感储存磁能，同时给电容 C 充电和负载供电，电流 IL 线性上升；
**关断阶段（开关断开）**电感释放磁能，通过续流二极管（或同步整流 MOS 管）继续给负载和电容供电，电流 IL 线性下降；
稳定输出条件导通时间内电感储存的能量 = 关断时间内释放的能量，输出电压公式（理想）：

Vout = Vin × D （D为占空比，0 < D < 1，D = 导通时间T_on / 开关周期T）

二、核心组成部分（嵌入式硬件常用选型）

三、关键参数与性能指标（硬件测试重点关注）

输出电压精度稳定负载下 Vout 与标称值的偏差（如 ±2%），嵌入式场景需满足 MCU 供电要求（如 3.3V±0.1V）；
**效率（η）**输出功率 Pout 与输入功率 Pin 的比值（η=Pout/Pin×100%），同步整流型 Buck（如 MP2307）效率可达 90%+，非同步（如 LM2596）约 75%~85%，低功耗场景优先选同步型；
**输出纹波（Vripple）**输出电压的交流波动（通常 mV 级），嵌入式场景需控制在 50mV 以下（避免干扰 ADC、传感器）；
**最大输出电流（Iout_max）**芯片 / 电路能稳定供电的最大电流（如 LM2596 最大 3A，超过会触发过流保护）；
**开关频率（f_switch）**影响电感电容选型（频率越高，电感电容体积越小，但开关损耗越大），常用 100kHz~500kHz。

四、工作模式（嵌入式场景常见类型）

1. 连续导通模式（CCM）

电感电流始终大于 0（导通 + 关断阶段电流不中断）；
适用于大负载电流（Iout ≥ 最小连续电流 Iout_min），输出纹波小、响应速度快；
嵌入式场景（如 MCU、电机驱动）主流模式。

2. 断续导通模式（DCM）

关断阶段电感电流降至 0 后，开关才再次导通；
适用于小负载电流（Iout < Iout_min），效率较低，纹波较大；
低功耗场景（如传感器休眠供电）需注意模式切换。

五、嵌入式硬件设计实战（以 3.3V 输出为例）

1. 经典方案：LM2596 非同步 Buck 电路（5V/12V 转 3.3V）

关键元件选型

输入：Vin=5V 或 12V（如 USB 5V、12V 适配器）；
芯片：LM2596-3.3（固定 3.3V 输出，无需分压电阻，简化设计）；
电感：10μH/3A（磁屏蔽功率电感）；
二极管：SS34（3A/40V 肖特基）；
电容：Cin=100μF 电解 + 0.1μF 陶瓷，Cout=100μF 电解 + 0.1μF 陶瓷。

硬件测试要点（嵌入式工程师必测项）

输出电压测量：空载 / 满载（如 500mA 负载）时，Vout 应在 3.23V~3.37V（±2% 精度）；
纹波测试：用示波器测 Vout（探头接地夹就近接地），纹波应 < 50mVpp；
效率测试：测量 Vin、Iin、Vout、Iout，计算 η=（Vout×Iout）/（Vin×Iin）×100%（满载时应≥75%）；
过流保护：短路 Vout，芯片应自动关断，解除短路后恢复正常。

2. 高效方案：MP2307 同步 Buck 电路（12V 转 3.3V，低功耗）

同步整流设计（无续流二极管，用 MOS 管替代），效率可达 95%，适合电池供电的嵌入式设备（如便携传感器）；
输出电流最大 2A，纹波更小（<30mVpp）；
电路设计与 LM2596 类似，核心区别是无需续流二极管，芯片集成同步 MOS 管。

六、嵌入式软件适配（电源管理相关代码示例）

Buck 电路输出稳定后，需通过 MCU 软件实现电源监测、保护等功能（以 STM32 为例）：

1. 输出电压监测（ADC 采集）

复制代码

#include "stm32f10x.h"
// ADC初始化（采集Vout分压后电压）
void ADC_Init_Vout(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;

    // 使能GPIOA和ADC1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    // PA0配置为模拟输入（采集分压后的Vout）
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // ADC配置（单通道、单次转换、12位分辨率）
    ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);

    // 使能ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // ADC校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}
// 读取Vout实际电压（分压比：R1=2.2kΩ，R2=10kΩ，Vout = ADC_Value × 3.3V × (R1+R2)/(R2×4096)）
float Get_Vout(void) {
    uint16_t adc_val;
    float vout;

    // 选择ADC通道0，采样时间55.5周期
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    // 启动ADC转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

    // 等待转换完成
    while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

    // 读取ADC值
    adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1);

    // 计算实际Vout（3.3V为STM32参考电压）
    vout = adc_val * 3.3f * (12.2f / 10.0f) / 4096.0f;

    return vout;
}
// 主函数中使用
int main(void) {
    float vout;
    ADC_Init_Vout();

    while(1) {
        vout = Get_Vout();
        // 若Vout超出3.0V~3.6V范围，触发报警（如点亮LED）
        if(vout < 3.0f || vout > 3.6f) {
            GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // PC13点亮报警
        } else {
            GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        }
        delay_ms(500); // 每隔500ms监测一次
    }
}

2. 低功耗场景：Buck 电路休眠控制

复制代码

// 当MCU进入休眠模式时，关闭Buck电路（通过GPIO控制芯片使能引脚）
void Buck_Power_Control(uint8_t enable) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    // 配置PB0为推挽输出（控制LM2596的SHDN引脚）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    if(enable) {
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 使能Buck电路（SHDN高电平）
    } else {
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 关闭Buck电路（SHDN低电平）
    }
}
// MCU休眠函数
void MCU_Sleep(void) {
    Buck_Power_Control(0); // 关闭Buck电路
    // 配置MCU进入深度休眠模式
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);
}

七、常见问题与排查（硬件测试避坑指南）

八、总结

Buck 电路是嵌入式硬件的 "电源基石"，核心优势是结构简单、效率高、输出稳定 ，适配从低功耗传感器到中功率 MCU 的各类供电需求。嵌入式工程师在设计时，需根据输入电压、输出电压、最大电流、效率要求选择合适的芯片（如 LM2596 经典通用、MP2307 高效低功耗），搭配匹配的电感、电容、二极管，并通过硬件测试和软件适配确保电源可靠性。