Buck電路
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-20
Buck電路的實例教程
一、Buck電路原理圖
Buck電路，又稱降壓電路，其基本特征是DC-DC轉換電路，輸出電壓低于輸入電壓。輸入電流為脈動的，輸出電流為連續的。
二、Buck電路工作原理
1、基本工作原理分析
當開關管Q1驅動為高電平時，開關管導通，儲能電感L1被充磁，流經電感的電流線性增加，同時給電容C1充電，給負載R1提供能量。等效電路如圖二
當開關管Q1驅動為低電平時，開關管關斷，儲能電感L1通過續流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，等效電路如圖三
三、Buck電路的三種工作模式：CCM，BCM，DCM
1、CCM (ContinuousConduction Mode),連續導通模式：在一個開關周期內，電感電流從不會到0。或者說電感從不“復位”，意味著在開關周期內電感磁通從不回到0，功率管閉合時，線圈中還有電流流過。
2、DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非連續導通模式：在開關周期內，電感電流總會會到0，意味著電感被適當地“復位”，即功率開關閉合時，電感電流為零。
3、BCM（Boundary Conduction Mode），邊界或邊界線導通模式：控制器監控電感電流，一旦檢測到電流等于0，功率開關立即閉合。控制器總是等電感電流“復位”來激活開關。如果電感值電流高，而截至斜坡相當平，則開關周期延長，因此，BCM變化器是可變頻率系統。BCM變換器可以稱為臨界導通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。
展開 Buck架構：
當開關閉合的時候：
當開關斷開的時候：
根據伏秒平衡定理可得：
（Vin-Vout）*DT=Vout(1-D)T===>Vin/Vout=D<1
在實際DCDC應用中：
當Q1閉合的時候，在圖1-a中，紅線示出了當開關元件Q1導通時轉換器中的主電流流動。CBYPASS是高頻的去耦電容器，CIN是電容器大電容。在開關元件Q1導通的情況下，電流波形的大部分陡峭部分由CBYPASS提供，然后由CIN提供。
在圖1-b中，紅線示出了當開關元件Q1斷開時的電流流動的狀態。續流二極管D1導通，存儲在電感器L中的能量釋放到輸出側。對于降壓轉換器拓撲，由于電感插入輸出串聯輸出電容電流平穩。
在圖1-c中，每當開關元件Q1從OFF變為ON時，該紅線中的電流劇烈變化，反之亦然。這些急劇的變化引起幾個諧波波形。這種系統差異需要在PCB期間得到最大的注意
PCB布局需要注意一下幾點：
1.將輸入電容器和續流二極管置于與IC端子相同的PCB表面層上，并盡可能靠近IC。
2.如果需要，包括熱通孔，以改善散熱。
3.將電感靠近IC，不需要像輸入電容那么近。這是為了最小化來自開關的輻射噪聲節點和不擴大銅面積超過需要。
4.將輸出電容靠近電感。
5.保持返回路徑的布線遠離噪聲引起的區域，例如電感器和二極管。
對于buck電路來說：
首先先講輸入濾波電容及旁路電容：建議采用10UF+0.1uF,當輸出負載為Io小于1A的時候，可以選擇一個較小的電容放在CIN端，關于Cbypass的布線強烈建議縮短布線甚至1mm，但是即使Cbypass距離IC很近，但是在降壓轉換的時候也會產生幾百MHZ的高頻被加載在CIN的地上，因此CIN和CO的接地彼此必須分開至少1cm到2cm。
展開 Buck電路分析
Buck變換器是一種降壓式非隔離開關電源，當開關管導通時，輸入電源通過電感給輸出供電，同時電感存儲能量；當開關管關斷時，電感通過續流二極管給輸出供電；如此反復即可維持輸出產生一個恒定的電壓。其Buck電路拓撲結構以及電路分析計算見圖1所示。
圖1 Buck電路分析
Boost電路分析
Boost變換器是一種降壓式非隔離開關電源，當開關管導通時，輸入電源通過電感給電感充電，電感存儲能量；當開關管關斷時，輸入電源和電感能量通過續流二極管給輸出供電；如此反復即可維持輸出產生一個恒定的電壓。其Boost電路拓撲結構以及電路分析計算見圖2所示。
圖2 Boost電路分析
Buck-Boost電路分析
Buck-Boost變換器是一種升降壓式非隔離開關電源，當開關管導通時，輸入電源通過電感給電感充電，電感存儲能量；當開關管關斷時，電感能量通過續流二極管給輸出供電；如此反復即可維持輸出產生一個恒定的負電壓。其Buck-Boost電路拓撲結構以及電路分析計算見圖3所示。
展開 翻出本人早期設計失誤的一個電路，該電路是數字電路的電源，為圖方便對12V直接通過線性電源芯片降壓到5V：
圖1：線性電源降壓12V轉5V
幾塊電路板打樣好后，測試均發現AMS1117-5.0芯片燙手，負載電流100mA多，也滿足芯片手冊里面的參數：
圖2：AMS1117參數
線性電源的特點：輸入電流 = 輸出電流。在圖1里，Ia = Ib = Ic，芯片U1（AMS1117-5.0）輸入輸出電壓相差12V - 5V = 7V，此時損耗功率至少 7V × 100mA = 0.7W，這就是U1燙手的原因。
吸取教訓后，不得不采用BUCK電路降壓，該電路作為模塊使用多年，穩定可靠：
圖3：開關電源降壓12V轉5V（BUCK電路）
BUCK電路的開關電源特點：η × 輸入功率 = 輸出功率，η × 12V × Ix = 5V × Iy
η為轉換效率，計算得出 Ix ≈ 50mA。
圖4：BUCK芯片效率
總結：線性電源輸入輸出的壓差大，要注意是否會導致芯片過熱，加速芯片老化，埋下質量隱患。設計人員一定要嚴謹，做到精益求精。
來源：網絡
展開 以高效及良好的熱性能著稱的buck穩壓器，通常不被視為降低電磁干擾候選項。幸運的是，您有多種選擇來降低此類穩壓器產生的EMI。幸運的是，仍然有多種措施用以減少這類穩壓器所帶來的電磁干擾。圖1為buck穩壓器的示意圖。
圖1. Buck穩壓器示意圖
電路板布局注意事項
當設計必須符合EMI要求時，除了選擇適當的無源元件值以確保功能設計之外，電路板布局應該是進行設計時需要考慮的首要因素。有兩個buck穩壓器電路板布局通用規則可將電磁干擾降至最低：
使輸入電容器和自舉電容器盡可能地靠近集成電路的VIN和GND引腳，以最大限度地減少高瞬態電流 (di/dt) 環路面積；
通過最小化開關節點的面積來最小化高瞬態電壓 (dv/dt) 節點的表面積。
集成輸入電容器
在EMI要求限制之下進行開關穩壓器的設計時，減小高瞬態電流環路的面積非常重要。在buck穩壓器中，需要從EMI的角度考慮輸入電壓對地環路。buck穩壓器通過開啟和關閉與電源的開關器件將較高的直流電壓降為較低的電壓，從而在高壓側產生MOSFET電流，如圖 2 所示。
圖2. Buck穩壓器作用下的輸入電流變化
MOSFET快速開啟和關閉，產生由輸入電容器提供的非常尖銳且幾乎不連續的電流。諸如TI的3-A LMQ66430-Q1和6-A LMQ61460-Q1 36V buck穩壓器，在封裝內集成高頻輸入電容器，從而實現了輸入電流環路面積的最小化。減小輸入電流回路面積會導致輸入端的寄生電感更小，從而減少電磁能量的輸出。
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對比需要焊接電路板的傳統 DIY，Nano 的 PPEC 控制器 + 圖形化軟件組合，讓零基礎的學生也能半小時內跑通第一個 Buck 電路。森木磊石推出的 DIY 套件更是點睛之筆，把原本晦澀的電力電子原理，變成了可觸摸、可調試的實物項目。
EGBox Nano的出現也讓我我經歷了從 "進口設備依賴癥" 到 "國產技術自信" 的轉變。
三、典型應用拓撲圖
BUCK電路應用拓樸圖
反激應用拓樸圖
光伏接線盒在主回路中采用的是BUCK-BOOST電路實現各項控制功能。
驅動電路。
驅動電路主要的功能就是為控制信號提供驅動力，從而提高控制信號驅動能力，以便在驅動力的作用下對輸出電壓進行調節和控制。
通信模塊。
通信模塊主要的功能就是實現數據的采集、傳輸，并將控制指令通過通信模塊的作用反饋回來，為裝置提供控制信號。
保護電路。
對于buck電路來說：
首先先講輸入濾波電容及旁路電容：建議采用10UF+0.1uF,當輸出負載為Io小于1A的時候，可以選擇一個較小的電容放在CIN端，關于Cbypass的布線強烈建議縮短布線甚至1mm，但是即使Cbypass距離IC很近，但是在降壓轉換的時候也會產生幾百MHZ的高頻被加載在CIN的地上，因此CIN和CO的接地彼此必須分開至少1cm到2cm。
分析BUCK電路中最神秘且重要的靈魂器件---電感
如圖七示，俗話說：理解了電感的工作原理就理解了80%的BUCK電路，可見電感在BUCK電路中是多么重要，自感電動勢的大小與電流變化率是成正比的，di/dt為單位時間內電流的變化率，電流從無到有與從有到無的瞬間變化率都是非常大的，在電路正常情況下電感的自感電動勢感應出的電壓是不會超過Vbus電壓的，而且最大感應電流也是與實際電流方向相反的一個電流，
簡單來說，電源的產生與轉化，比如Buck電路，LDO，DC-DC等，源端部分這些是電源工程師來確定的。
電源工程師也會進行相關的電源可靠性設計與測試，比如耐壓余量，耐電流余量，保護設計（過壓、過溫、過流等）。這些工作是電源工程師的專業范疇。電源這一塊很復雜，光各種拓撲結構就已經讓人云里霧里了，絕對是可以深究的一份職業。
以隔離的反激電路和非隔離的BUCK電路為例，如圖2所示。
一般為了降低功耗，LDO前級選擇DCDC開關降壓電路，BUCK工作時會有紋波，使得LDO輸入電壓會有最低值，由于電容的存在，這一點的影響不是特別大，只有在極個別情況下才會考慮這點。
后臺回復：BUCK仿真文件 可以得到仿真源文件
在選擇電感之前，我們首先要知道BUCK電路的基本原理，以及電感的基本參數，一定要先看完之前的文章再回過頭來看這篇文章：
《DCDC BUCK降壓電路詳細原理》
了解完BUCK基本原理以及電感的4大參數，我們就可以回過頭來分析電感選型的過程了。
圖2：Buck電路的電流環
13、mos （ igbt ）管的柵極驅動電路通常也含有較大的 di/dt 。
14、在大電流、高頻高壓回路內部不要放置小信號回路，如控制、模擬電路，以避免受到干擾。
