dc-dc降压电路-buck电路原理

BUCK电路简介BUCK电路是一种基于电感储能原理的DC-DC变换器，其涉及到物理中的电磁感应和电能转换的基本原理。在BUCK电路中，通过控制输入占空比可变的PWM波切换开关管的导通和断开状态，将输入电源提供的直流电压转换为可调的低电压输出，从而满足不同电路的供电需求。具体来说，BUCK电路中的电感在导通状态下，将电流通过电感中心核心的磁场转化为磁能，并将磁能存储在电感中。而在断开状态下，由于电感的自感作用，磁场会产生电压，将电磁能转化为电能，并通过输出端向负载供电。因此，通过控制开关管的导通和断开状态，实现了电能在电容和电感之间的周期性转换和调节，最终输出稳定的直流电压。此外，BUCK电路中的电容起到平滑输出电压的作用，通过在开关管导通状态下储存电能，在断开状态下释放电能，平滑输出电压波动。同时，为了确保稳定输出电压，BUCK电路通常采用负反馈控制，通过对输出电压进行采样，反馈给微控制器，然后微控制器调节输出的PWM波的占空比，控制开关管的导通时间和断开时间，使得输出电压保持在预定范围内。BUCK电路的基本拓扑：BUCK电路工作原理四个阶段BUCK电路的工作原理可以分为四个阶段：导通阶段：当开关管导通时，电感储存电能，电容充电。关断阶段：当开关管关闭时，电感和电容之间的能量被传递到负载上，此时电感中的电流仍然存在，它会继续流向负载。自由轮振荡阶段：在电感电流流向负载后，开关管关闭，此时电感中的电流无法立即消失，因此电感中的能量会反向传回开关管，驱动二极管导通，这个过程称为自由轮振荡。重复阶段：上述三个阶段重复进行，控制开关管导通的占空比可以通过PWM控制器调整，从而实现输出电压的稳定调节。BUCK电路输入电压与输出电压的数学关系式：Vout=VinxD其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，D为开关管的占空比，即PWM波的高电平时间与周期之比。如果考虑到开关管的导通损耗和电感、电容等元件的等效电阻，还需要引入一个效率因子η，得到如下的修正关系式：Vout=VinxDxη其中，η为效率因子，通常在0.8到0.95之间。需要注意的是，BUCK电路的输出电压通常不能高于输入电压，因为其基本工作原理是通过降压转换实现稳定的输出电压。因此，如果需要得到更高的输出电压，需要使用升压(BOOST)电路或者其他升压转换电路。dc-dc降压电路原理图降压式（Buck）变换器是一种输出电压≤输入电压的非隔离直流变换器，Buck变换器的主电路由开关管S1，二极管D，输出滤波电感L和输出滤波电容C构成，基本工作原理如下：当开关管S1闭合时，电感L被充磁储能，流经电感的电流线性增加，同时给电容C充电，给负载RL提供能量（如左图所示），此时Vout电压缓慢上升，若S1一直闭合则最终Vout会近似等于Vin电压（S1有耗损压降）；当开关管S1关断时，储能电感L通过续流二极管D放电，电感电流IL线性减少，输出电压Vout靠输出电容C放电Ic以及减小的电感电流IL维持(如右图所示)缓慢下降，若S1一直保持关断，则Vout会最终降至0V；按上述描述，Buck输出电压Vout曲线近似如下左图所示：由此可知，通过控制开关管S1开启关断的占空比，可以控制输出电压Vout的大小（如上图所示）。一般DCDC集成芯片内部会集成电压调节电路，通过芯片输出端接分压电阻器将输出电压采样到FB(VFB)端，也就是反馈端，与基准电压对比后通过运放输出一个电压，与三角波对比，产生PWM信号，驱动功率管，实现电压的闭环控制。降压型(Buck)转换器按整流方式不同，分为异步整流型Buck和同步整流型buck：非同步整流Buck以上描述的通过二极管D来完成的续流回路，这种属于非同步整流型Buck转换器，也叫异步Buck转换器（见上图“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。因为二极管需要一定导通压降才能导通，如果输出电流比较大，那么就会有比较大的额外消耗，另一方面，如果输出电压是比较低的时候，比如说是1.2V，那么二极管导通压降就占了很大的比例。所以在大电流，小电压输出时候效率偏低。同步整流Buck另外还有一种就是同步整流型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（见右上图“同步整流Buck”）。同步Buck的控制较为复杂，需要额外的驱动电路和控制电路保证电路正常工作，如果死区时间处理不当，有可能上下管直通，造成MOS管损坏(这是指的是电源控制器外接同步整流MOSFET的情况)。对于内部集成了控制器，上下管的电源管理芯片，由于MOSFET的特性已知，控制和MOSFET集成，可以很好的解决上面提到的控制问题，不需要过多担心。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。从性价比、可靠性和高电压输出场景表现，优先选择异步BUCK电路。从功耗、效率和非连续工作场景噪声表现，优先选择同步BUCK电路。BUCK电路应用、特点BUCK电路作为一种常见的降压电路，在电源领域有着广泛的应用。其主要应用场景：电子设备稳压电源：BUCK电路能够将高电压转换为低电压，从而为电子设备提供稳定的电源。例如，计算机主板、笔记本电脑、手机充电器等设备都会采用BUCK电路作为稳压电源。能量回收系统：在某些场景下，电路中会出现大量的电能消耗，例如电动机制动、光伏发电等。此时，BUCK电路可以将被消耗的电能进行回收，从而提高能源利用效率。LED驱动电路：由于LED的电压相对较低，因此需要将输入电压进行降压。此时，BUCK电路能够提供稳定的电源，并实现对LED亮度的控制。BUCK电路的特点：能效高：由于BUCK电路通过开关管进行脉冲调制，因此其能效通常比线性稳压电路更高。输出电压稳定：BUCK电路通过电感和电容的协同作用，能够保持输出电压的稳定性。