Buck電路的原理及器件選型指南

Buck電路工作原理

電源閉合時電壓會快速增加，當(dāng)斷開時電壓會快速減小，如果開關(guān)速度足夠快的話，是不是就能把負(fù)載，控制在想要的電壓值以內(nèi)呢？

假設(shè)12V降壓到5V，也就意味著，MOS管開關(guān)需要42%時間導(dǎo)通，58%時間斷開。

當(dāng)42%時間MOS管導(dǎo)通時，電感被充磁儲能，同時對電容進行充電，給負(fù)載提供電量。

當(dāng)58%時間MOS管斷開時，由于電感上的電流不能突變，電路通過電感的電流及電容為負(fù)載供電，從而將負(fù)載端的電壓維持在5V。

Buck電路的器件選型

Buck電路主要由以下部分組成：

• 控制器芯片

• 功率MOS管

• 功率電感

• 輸入/輸出濾波電容

控制器芯片的選型

根據(jù)實際應(yīng)用場景，控制器首先要滿足開關(guān)電源電路的各項技術(shù)參數(shù)，其次要滿足電路的工作環(huán)境要求，最后要在成本控制范圍內(nèi)選擇適合的電源方案。

模擬控制器還是數(shù)字控制器：數(shù)字控制器外圍電路簡單，在線調(diào)試更容易，并可以根據(jù)應(yīng)用靈活配置。

單相還是多相：根據(jù)輸出電流大小來選擇相數(shù)。相數(shù)不夠則無法滿足電流需求，相數(shù)過多則成本增加。輸出電流30A以下，選擇單相控制器即可；超過30A則增加至2相，以此類推，一般保持每相電流在15A~30A（取決于功率器件的能力）這個范圍是比較合理的。

輸入與輸出電壓范圍：根據(jù)實際使用場景，選擇輸入與輸出電壓合適的控制器芯片，保證輸入電壓在控制可承受范圍內(nèi)，保證輸出電壓大小與精度符合電路設(shè)計要求。

通信協(xié)議：對于數(shù)字控制器而言，要考慮控制器芯片支持哪些通信協(xié)議，滿足主控芯片對于通信接口的分配。

功率MOS管的選型

Vds耐壓：保證實際MOS管工作時DS兩端壓差小于Vds耐壓，避免MOS管被擊穿。考慮到電路實際工作時MOS管DS兩端的波形會有振鈴，Vds耐壓一般選擇比輸入電壓高10V以上，例如輸入20V，選擇Vds耐壓為30V的MOS。

Id電流：保證輸出峰值電流不超過Id，可通過MOS管的SOA曲線來判斷。MOS規(guī)格書標(biāo)明的Id電流是基于Rdson和最大功率Pd計算得來的，沒有考慮開關(guān)損耗，因此不能直接跟MOS的Irms進行比較，需要計算MOS整體的損耗來確定選型。

Rdson和Qg：這兩個參數(shù)影響MOS管的損耗，原則是上管選擇Qg更低的MOS管，下管選擇Rdson小的MOS。如果Buck電路PWM的占空比較大（＞50%），上管的導(dǎo)通損耗也不容忽視，需要Qg和Rdson兩個參數(shù)都小。另外還可以通過降低MOS管的開關(guān)頻率或者將MOS管并聯(lián)來降低開關(guān)損耗。

功率電感的選型

感值：電感的感值可使用以下公式計算得出，其中r是電流紋波率，一般選擇0.3~0.5左右：

電感值會影響輸出電源紋波和動態(tài)響應(yīng)，實際應(yīng)用時需要根據(jù)實際測試結(jié)果進行調(diào)整。

電流：電感的電流分為飽和電流Isat和溫升電流Irms，實際工作時電感上電流波形如下：

選擇電感時首先要保證飽和電流Isat大于電感電流峰值Ipeak，從而避免電感飽和，感值下降造成MOS和電感損壞。

溫升電流是從電感的工作溫度和損耗的角度出發(fā)，選型時盡量讓溫升電流大于電感電流的有效值，如下面公式所示：

DCR（直流電阻）：如果電源電路使用電感DCR做電流檢測時，為了保證檢測結(jié)果的一致性，電感的DCR精度盡量選擇±5%以內(nèi)。

濾波電容的選型

耐壓值：一般電容的耐壓需要降額到90%左右使用，為了更高的可靠性，在一些特定場景要求降額到50%。

容值：電容的容值影響濾波和穩(wěn)壓的效果，理論上容值越大，效果越好。

實際上電容的頻率-阻抗特性曲線并非線性，不同電容的特性曲線也不一樣。如下圖所示，分別為330uF，22uF，0.1uF的特性曲線。

在低頻段330uF的阻抗要明顯低于22uF和0.1uF，在中間頻段則是22uF的阻抗較低，高頻段0.1uF的阻抗較低。因此需要針對不同頻段的電源噪聲，選擇不同容值的電容組合濾波。

在Buck電路的輸入和輸出端，一般選擇大容值的固態(tài)電解電容跟小容值的MLCC組合，以實現(xiàn)全頻段都有較低的阻抗。

最大紋波電流：電容紋波電流有效值要大于實際輸入電容的紋波電流。輸入電容紋波電流有效值可以按照如下公式計算：

ESR（等效串聯(lián)電阻）：電容的ESR主要影響電源紋波，同時也跟電容的紋波電流有效值相關(guān)。一般情況下，電容的ESR越小，紋波電流有效值越大，如下圖所示：

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