開關(guān)電源：Buck變換器的三種演變方式

Buck的由來

電力電子的發(fā)展史我不想多說，經(jīng)過幾十年的發(fā)展由最初的線性電源低效率、大體積到目前的高頻、小體積和高效率。下面將介紹三種最基本的拓?fù)渲籅uck變換器是如何演變過來的。

學(xué)過電子的應(yīng)該都知道，如何從一個(gè)電壓(高)得到自己想要的電壓值(低)，可能最簡單的方式就是通過電阻分壓，如下面的方式。

這種方式最方便快捷，現(xiàn)在一般的電壓采樣基本采用這種方式，但是如果功率稍微大一點(diǎn)呢？由于R1和R2是串聯(lián)的，所以在R1上的損耗不可忽視，如果所要的電壓值遠(yuǎn)低于輸入電壓，那么該電路的效率就會極其低下。對該電路嘗試進(jìn)行變形，將R1更換為三極管，也就是現(xiàn)在的LDO模型，如下：

通過變型，那么原來在R1上的損耗轉(zhuǎn)移到三極管Q1上面去了，由于Q1承受輸入和輸出的壓差，所以該電路的效率也比較低下。為了提升效率，之前三極管是工作在線性狀態(tài)，是否可以更改為開關(guān)狀態(tài)呢？這樣三極管就只有開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，那么損耗就會大大的降低?？梢愿臑槿缦码娐罚?/p>

該電路工作周期時(shí)間為Ts，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，那么占空比就是D=Ton/Ts，但是這樣輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)高度關(guān)聯(lián)，S1導(dǎo)通時(shí)有輸出電壓，S1關(guān)斷時(shí)沒有輸出電壓，但是輸出負(fù)載總是需要連續(xù)的能量供給，這對于輸出端負(fù)載是不可接受的。這就需要進(jìn)行解耦，在變換器一定位置引入儲能元器件電容，這樣在即使在輸入端S1斷開的情況下，輸出端電容也可以進(jìn)行持續(xù)的能量輸出，保證輸出電壓的穩(wěn)定。

如果這樣做，大家有沒有看出會帶來什么樣的效果？由于電容兩端的電壓不能突變，當(dāng)S1閉合的時(shí)候，那么會在線路中產(chǎn)生一個(gè)非常大的沖擊電流，它不僅導(dǎo)致噪聲和EMI問題，這個(gè)時(shí)候S1可能會被損壞。所以需要對其進(jìn)行限流，如下：

加入R2限流電阻后，在S1閉合瞬間就沒有那么大的沖擊電流了，但是由于R2是串聯(lián)在主功率回路中，電阻就會消耗功率，這樣，在開關(guān)上減小的功耗最終可能又消耗在所加的電阻上。因此，為了最大限度的提高效率，可以將R2變換為電抗元件，從原理上來說，電抗原件僅存儲能量不消耗能量，大家知道，電感兩端的電流不能突變，所以在開關(guān)S1閉合的時(shí)候，電感可以很好的抑制沖擊電流而不消耗能量。如下：

這樣解決了S1閉合時(shí)由于C1的作用引起的浪涌沖擊電流，但是當(dāng)S1斷開的時(shí)候呢？剛才有提到，電感兩端的電流不能突變，當(dāng)S1突然斷開，就相當(dāng)于電感的電流產(chǎn)生了突變，由于沒有續(xù)流的回路，那么電感存儲的能量就會以“拉弧”的方式消耗，這樣就會產(chǎn)生一個(gè)非常大的電壓尖峰。所以，為了給電感L1提供一個(gè)續(xù)流路徑，需要增加一個(gè)續(xù)流二極管，如下：

這樣，當(dāng)S1突然斷開，L1的能量就會通過二極管進(jìn)行續(xù)流，所以我們也叫續(xù)流二極管。當(dāng)然，為了提升效率，可以將續(xù)流二極管更換為MOSFET，如下：

這樣一個(gè)同步Buck變換器就產(chǎn)生了?？梢詫㈦姼性诓煌奈恢梅胖米儞Q為不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，放在輸入端就是Boost變換器，放在下面就是Buck-boost變換器。所以，基本的變換器其實(shí)就只有這三種，其他很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是這三種基本變換器的演變。

比如正激就是Buck的隔離版本，反激就是Buck-boost的隔離版本。

編輯：黃飛

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