EEPW论坛

DC-DC BUCK电路是一种常见的直流到直流（DC-DC）转换电路，主要用于将较高的输入直流电压转换为较低的输出直流电压。

以下是对DC-DC BUCK电路的详细解析：

一、基本原理

BUCK电路通过控制开关元件（通常为功率MOSFET）的周期性开闭，实现电能的存储和释放，从而调整输出电压。当开关元件导通时，输入电压通过电感器（储能元件）给电容器充电，并向负载供电；当开关元件关断时，电感器利用自感作用释放能量，维持负载供电，同时电容器也向负载提供能量。通过调整开关元件的导通和关断时间（即占空比），可以控制输出电压的大小。

二、主要组成部分

开关元件：通常为功率MOSFET，用于控制电路的通断。

电感器：储能元件，当开关导通时储存能量，关断时释放能量。

电容器：滤波元件，用于平滑输出电压，减小输出电压的波动。

二极管（有时使用同步整流技术替代）：续流二极管，在开关关断时提供电流通路，确保电感器中的电流连续。

三、工作模式

BUCK电路主要有以下几种工作模式：

连续导通模式（CCM）：在一个开关周期内，电感电流从不归零，保持连续流动。这是BUCK电路最常见的运行模式。

非连续导通模式（DCM）：在一个开关周期内，电感电流会归零，电感被适当“复位”。这种模式下，电路的效率和性能可能会有所不同。

边界导通模式（BCM）：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于零，立即闭合开关。这种模式可以确保电路始终处于高效的运行状态。

四、优点与缺点

优点

高效性：通过使用开关元件实现电压降低，减少了能量损失，提高了转换效率。

紧凑性：相对于其他类型的变换器，BUCK电路结构紧凑，适用于空间受限的应用场景。

稳定性：能够提供相对稳定的输出电压，即使在输入电压变动的情况下也能保持输出电压恒定。

缺点

电压降低限制：输出电压不能高于输入电压，无法直接用于升压操作。

输出电流限制：在高电流负载下，BUCK电路的传输能力可能受限，无法满足某些高功率应用的需求。

输出电压波动：在负载变化或输入电压变化时，输出电压可能会有较大的波动。

五、应用场景

BUCK电路广泛应用于各种需要降压转换的场合，电源适配器、电池充电器、调光LED驱动器等。在移动设备和家用电器中，BUCK电路也扮演着重要的角色，用于调节电源供应器的输出电压。

BUCK转换器的基本工作原理

BUCK转换器是一种直流到直流（DC-DC）的电压转换器，能够将较高的直流输入电压（VIN）转换为较低的直流输出电压（VOUT）。它主要由两个开关（通常是MOSFETs，Q1和Q2在您的图中），一个电感（L1），一个输出电容（通常图中未明确画出），以及一个负载组成。

六、工作原理

Q1导通，Q2关闭：

当Q1（通常是高端开关）导通时，VIN直接连接到电感L1，给电感充电。

此时，电感电流开始增加，其方向如蓝色箭头所示。

电感上的电压（VL）是正值（左正右负），因为电流在增加。

输出电压VOUT由电容C维持，同时电感电流也为负载供电。

此时，VIN = VL + VOUT，但需注意这只是一个瞬时的电压关系，因为VL会随电流变化而变化。

Q1关闭，Q2打开：

当Q1关闭时，电感电流不能突变，因此电流会通过Q2（低端开关）续流，形成红色箭头所示的路径。

此时，电感作为电压源，释放能量给负载供电，同时电流开始减少。

电感上的电压（VL）变为负值（左负右正），因为电流在减少。

输出电压VOUT继续由电容C和电感L共同维持。

关键公式 VIN*D = VOUT

占空比D：定义为Q1导通的时间与整个开关周期的比值。

公式解释：在稳态下，输入电压VIN在Q1导通期间对电感充电，而输出电压VOUT则在整个周期内（包括Q1导通和Q2导通）维持。由于电感电流的平均值在稳态下是恒定的，根据能量守恒，输入能量（VIN电流D）必须等于输出能量（VOUT电流1），从而得出 VIN*D = VOUT。

根据上图拓扑，得出

a、当Q1打开，Q2关闭，Vsw为高，IQ1增加，IQ2为零，电感电流增加。

b‘、当Q1关闭，Q2打开，Vsw为低，IQ1为零，IQ2减小，电感电流减小。

c、整个稳态过程，电感电流不断增加减少。

d、我们常将上管打开的时间称为Ton，其关闭的时间为Toff。两者相加是一个周期。

下面来看下两个过程，开关导通和开关断开。

先看开关导通

开关导通时，二极管不导通，我们看电感，电感左边是Vi，右边是Vo，因为是降压，所以左边大于右边，那么电感两端电压是Vi-Vo，为恒定值。如果把电感电流向右定义为正，那么电感电流是线性增大的，因为L*di/dt=Vi-Vo，那么di/dt=(Vi-Vo)/L=常数。

开关断开时，电感要续流，会产生反向电动势，让二极管导通，二极管导通电压是Vd。因为二极管阳极接地，所以阴极电压是-Vd，也就是电感左边的电压就是-Vd，右边的电压是Vo不变，因此电感两端电压是-Vd-Vo。此时电感电流是线性减小的，因为L*di/dt=-Vd-Vo，di/dt=-(Vo+Vd)/L=常数，并且是负值，所以是线性减小的。

注意红色路径:

开关管Q导通时刻，Vin向负载输出能量，同时向输出电容充电。

开关管Q关断时刻，负载能量由输出电容提供，电感电流不能突变，因此通过二极管D进行续流。

同步整流Buck:用于高效率要求场合:Q1/Q2互补驱动(考虑一定的死区时间)

Buck变换器的稳态电压增益:

Buck变换器的特征:

--输出电压低于输入电压:

--输出电流连续:

--输入电流断续:

--开关驱动需隔离;

-功率级的小信号特性非常优越

相关的公式：

波形图：

总结：

BUCK变换器作为一种高效的DC-DC降压转换器，其核心在于通过周期性控制开关元件的通断来实现电压的转换。在稳态下，通过调整开关元件的占空比D，可以精确地控制输出电压VOUT与输入电压VIN的比例关系，即VIN*D=VOUT。该变换器结构紧凑，广泛应用于各种需要降压的电子设备中。

BUCK变换器的优点在于其高效率、紧凑性和稳定性。通过同步整流技术，可以进一步提高效率，减少能量损失。然而，它也存在一些限制，输出电压不能高于输入电压，以及在高负载下可能面临的电流限制问题。

在稳态工作过程中，BUCK变换器的电感电流会经历周期性的增加和减少，这是由开关元件的通断状态决定的。当开关导通时，电感充电，电流增加；当开关关断时，电感通过续流二极管释放能量，电流减少。这种周期性变化保证了输出电压的稳定。

BUCK变换器是一种性能优越、应用广泛的DC-DC降压转换器。通过对其工作原理和特性的深入理解，可以更好地设计和优化相关电路，以满足不同应用场景的需求。