DC-DC BUCK电路

名称 作用
Buck 降压
Boost 升压
Buck-Boost 可升可降

Buck 最重要的公式

理想情况下,Buck 输出电压大约满足:

Vout​=D×Vin​

其中 D 是 PWM 占空比。

比如:

Vin​=12V

想得到:

Vout​=6V

那么理想占空比:

D=126​=0.5

也就是约 50%。

如果 12V 降到 3V:

D=123​=25%

所以你可以把 Buck 理解成:

通过控制开关导通时间比例,控制平均输出电压。

实际芯片会有反馈控制,并不是简单固定占空比。


Buck 原理图

重点找四个东西:

① SW 节点

开关节点,波形变化非常快。

② 电感 L

一般紧靠芯片的 SW 引脚。

③ 输入电容 Cin

尽量靠近:

复制代码
VIN
GND

④ 输出电容 Cout

放在电感输出端附近。

Buck 的 PCB 布局尤其重要。

因为高速开关环路如果面积太大,会产生很强 EMI。


Buck的拓扑结构

1、当Q1导通,Q2关闭,SW端电压为输入电压VIN,VIN给电感L1充电,电感电流增加,VIN=VL+VOUT,此时电感电压左正右负。电流方向为图示蓝色回路。

2、当Q1关闭,Q2打开,由于电感电流不能突变,电流按照下图红线路径形成回路,给负载供电,此时电感电流下降。电感电压左负右正。

VIN*D=VOUT

同步整流buck和异步整流Buck

异步整流Buck,续流回路中采用的是二极管,具有单向导电性,不需要外加电路控制其通断,因此它只有一个mos管(或者说开关管)需要用电路控制,也就不用去强调同步控制二极管,即可以理解为非同步。

同步整流型Buck。同步Buck在电路中续流回路中使用的也是MOS 管(Q2),即上下管都是MOS管,因为MOS管本身是需要外部控制的元器件,整流过程中必须根据电源的开关时序同步控制Q1与Q2,所以该电路理解为同步。

同步和异步的区别从外部来看是同步的没有续流二极管。BUCK的输出电流是分成两个部分的,一个部分是来自电源,一个部分是来自异步电路中的这个二极管,同步电路把这个二极管用一个内置的MOSFET给替代了,但是这个MOSFET的开和关需要芯片内部额外的控制电路来保持和开关MOSFET的相位关系。

推导公式

我们推导公式,是为了选型,选择输入滤波电容,输出滤波电容,电感。

那么先把已知条件列出来

首先是输入电压Vi,输出电压Vo,输出电流Vo/R,咱总得知道自己想要什么吧,所以这些在设计之初都是已知的。

其次是开关频率f,这个在芯片选型之后就是确定的了。

再然后就是设计的目标,输入纹波大小△Vi,输出纹波大小△Vo。

你现在学 Buck,我建议暂时不要一下子背文章里所有公式。先真正掌握下面这条"公式树":

VL​=Ldtdi​​

稳态时:

∫0T​VL​dt=0​

Buck:

(Vin​−Vo​)Ton​=Vo​Toff​​

Vo​=DVin​​

再推出:

ΔIL​=Lf(Vin​−Vo​)D​​

最后再用:

Q=CΔV​

推出输出电容纹波。

为什么 Buck 比 LDO 效率高?

例如:

复制代码
12V → 5V
负载 1A

如果用 LDO:

Ploss​=(12−5)×1=7W

损耗非常大。

输出功率才:

5×1=5W

LDO 自己却消耗 7W,发热会非常严重。

Buck 假设效率 90%:

输出功率:

Pout​=5W

输入功率:

Pin​≈0.95​=5.56W

损耗只有:

0.56W

所以遇到:

高压差 + 大电流

一般优先考虑 Buck。


Buck 的缺点是什么?

既然这么好,为什么还需要 LDO?

因为 Buck 是高速开关:

复制代码
MOS ON
MOS OFF
MOS ON
MOS OFF

会带来:

  • 开关噪声
  • 电压纹波
  • EMI
  • PCB 布局要求较高
  • 外围器件更多

而 LDO:

  • 简单
  • 噪声低
  • 输出比较干净

所以实际产品中经常:

复制代码
12V
 ↓
Buck
 ↓
5V
 ↓
LDO
 ↓
3.3V

Buck 负责:

高效率大幅降压。

LDO 负责:

最后一级低噪声稳压。


Buck 是一种降压型 DC-DC 开关变换器,通过 MOSFET 高频开关控制输入能量,再利用电感储能和平滑电流、电容平滑输出电压,将较高的直流电压转换为较低的直流电压。理想连续导通情况下,输出电压大约等于输入电压乘以占空比。相比 LDO,Buck 在输入输出压差大或者负载电流较大时效率更高,但开关噪声和 PCB 布局要求也更高。

LDO 是"把多余电压变成热",Buck 是"通过高速开关 + 电感 + 电容,高效率地把电压降下来"

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