Buck電路工作原理解析

1、Buck電路原理圖

Buck電路，又稱降壓電路，其基本特征是DC-DC轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓低于輸入電壓。輸入電流為脈動(dòng)的，輸出電流為連續(xù)的。如圖5.1所示，Buck電路使用開(kāi)關(guān)管Q1將輸入的直流電源進(jìn)行“斬波”，形成方波。利用一個(gè)方波控制開(kāi)關(guān)管，讓開(kāi)關(guān)管按照控制信號(hào)進(jìn)行通斷。調(diào)節(jié)方波的占空比，控制通過(guò)的能量。再對(duì)通過(guò)開(kāi)關(guān)管的方波進(jìn)行低通濾波，讓直流電壓輸出。

圖5.1 非同步Buck變換器基本電路

其實(shí)我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，圖5.1的電路越來(lái)越少被使用。這種Buck電路被稱為非同步。同步和非同步的區(qū)別從外部來(lái)看，是一個(gè)多了一個(gè)有續(xù)流的二極管，一個(gè)沒(méi)有續(xù)流的二極管。其實(shí)Buck的輸出電流分成兩個(gè)部分的，一個(gè)部分是來(lái)自電源，一個(gè)部分是來(lái)自非同步電路中的這個(gè)二極管，如圖5.1所示D1，只是同步電路把這個(gè)二極管用一個(gè)MOSFET給替代了，這個(gè)MOSFET被稱為“下管”，如圖5.2所示，圖中的Q2替代了D1。但是這個(gè)“下管”的開(kāi)和關(guān)需要和開(kāi)關(guān)MOSFET（上管）保持一定的相位關(guān)系，大家習(xí)慣把這樣的關(guān)系叫做同步模式。

圖5.2 同步Buck變換器基本電路

非同步Buck電路，二極管續(xù)流（二極管與電感形成一個(gè)通路，二極管為電感保持電流持續(xù)，電流從二極管通過(guò)）期間，二極管兩端的電壓相對(duì)恒定，表現(xiàn)為二極管正向?qū)▔航?。這個(gè)特性導(dǎo)致非同步壓降電路在二極管上消耗的能量比較大，所以非同步Buck的效率比較低。因?yàn)槠潆娐诽攸c(diǎn)不需要復(fù)雜的控制，控制器成本也比較低。

同步Buck電路，采用MOSFET，下管續(xù)流的期間（上管關(guān)閉，下管打開(kāi)，下管為電感保持電流持續(xù)，電流從下管通過(guò)），MOSFET表現(xiàn)為D極和S極之間的導(dǎo)通等效阻抗。由于下管的導(dǎo)通阻抗比較小，所以其兩端的電壓也比較小，消耗在下管上的損耗比二極管也小很多。所以同步Buck電路的效率比較高，相比來(lái)說(shuō)需要額外的控制電路，成本相對(duì)也高一些。但是隨著芯片的技術(shù)發(fā)展，同步Buck電路的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越大，所以一般都選擇同步Buck，規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)逐步明顯。

二、Buck電路工作原理

1、基本工作原理分析

在同步Buck電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為高電平，上管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管Q2驅(qū)動(dòng)為低電平，下管關(guān)閉，儲(chǔ)能電感L1被充磁（充磁的壓差為Vin-Vout），流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C1充電，給負(fù)載RL提供能量，電路如圖5.3所示。

圖5.3 同步Buck上管導(dǎo)通下管關(guān)閉

非同步Buck電路中，在上管導(dǎo)通時(shí)，二極管反向截止，沒(méi)有正向電流，等同于關(guān)斷狀態(tài)。儲(chǔ)能電感L1被充磁（充磁的壓差為Vin-Vout），流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C1充電，給負(fù)載RL提供能量，如圖5.4所示。

圖5.4非同步Buck上管導(dǎo)通

在同步Buck電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為低電平，上管關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管Q2驅(qū)動(dòng)為高電平，下管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L1通過(guò)下管放電，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，電路如圖5.5所示。

圖5.5同步Buck上管關(guān)閉下管導(dǎo)通

在非同步Buck電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)為低電平，上管關(guān)斷，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，儲(chǔ)能電感L1通過(guò)續(xù)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，電路如圖5.6所示。

圖5.6非同步Buck上管關(guān)閉二極管續(xù)流（下MOS更換為二極管）

在同步Buck電路中，最理想的狀態(tài)是上管關(guān)閉的一瞬間，下管打開(kāi)；下管關(guān)閉的一瞬間，上管打開(kāi)。如果能嚴(yán)絲合縫，沒(méi)有一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間差，則上面兩個(gè)狀態(tài)就足以把同步Buck電路工作起來(lái)了。但是MOSFET不是理想的開(kāi)關(guān)特性，它在關(guān)斷到導(dǎo)通的過(guò)程中存在一個(gè)過(guò)渡的過(guò)程就是一個(gè)放大區(qū)，介于完全關(guān)斷和完全導(dǎo)通之間的一個(gè)狀態(tài)。另外控制時(shí)序也是不理想的，不可能做到“嚴(yán)絲合縫”。也就是說(shuō)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器在時(shí)間上是非常難控制到精確的同步。我們有一個(gè)狀態(tài)是必須要避免的，就是上管和下管同時(shí)打開(kāi)。此時(shí)，Vin通過(guò)兩個(gè)打開(kāi)的MOSFET直連到GND，形成了短路。這種直通的現(xiàn)象，即會(huì)損壞MOSFET，也會(huì)導(dǎo)致Vin短路而損壞前一級(jí)供電電源，如圖5.7所示。

圖5.7同步Buck不應(yīng)該出現(xiàn)的狀態(tài)“直通”

為了避免這種直通的現(xiàn)象，電源控制器在設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)故意讓上管和下管切換的時(shí)候，多等一會(huì)。寧愿出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)關(guān)斷的狀態(tài)，也不愿意出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)。如圖5.8所示，UGATE是上管的控制信號(hào)，LGATE是下管的控制信號(hào)。第一個(gè)狀態(tài)是下管導(dǎo)通，上管關(guān)閉，需要切換狀態(tài)的時(shí)候，先關(guān)閉下管（兩個(gè)控制信號(hào)都為低電平）。下管關(guān)閉的過(guò)程需要一個(gè)時(shí)間tFL ， 關(guān)閉的過(guò)程上管保持關(guān)斷。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都處于一個(gè)關(guān)閉的狀態(tài)，此時(shí)至少?zèng)]有短路的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5.8同步Buck的控制時(shí)序

等待一段時(shí)間（t LGFUGR ）之后再打開(kāi)上管，這個(gè)等待的過(guò)程，就叫做“死區(qū)時(shí)間”。那么這個(gè)過(guò)程，電感的一端似乎就懸空了，沒(méi)有電流回路了，其實(shí)不然。

在“死區(qū)時(shí)間”的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，下管二極管雖然沒(méi)有被導(dǎo)通，但是他本身有一個(gè)寄生的二極管。這個(gè)二極管可以像非同步Buck電路一樣幫助電感續(xù)流，如圖5.9所示。但是這個(gè)時(shí)間非常短暫，所以產(chǎn)生的功耗沒(méi)有那么大。

圖5.9同步Buck死區(qū)時(shí)間電流路徑

同樣的過(guò)程發(fā)生在上管關(guān)閉后，需要等待一個(gè)時(shí)間（t UGFUGR ），然后再打開(kāi)下管，如圖5.7所示。