【龙腾原创】Buck电路的设计与参数计算

一、背景、
Buck电路，又名降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。其所用外围器件少，成本低，高能效，同时可以做到小型化，因此在计算机，消费产品等需多电源供电的电子系统中有着广泛的应用。

二、Buck电路拓扑结构

主要由一个开关管Q1，二极管D1，电感L，输出电容C组成的Buck变换电路，因此可以看出其电路组成结构简单，器件较少，因而成本较低。如图2-1所示


图2-1 Buck电路的基本结构

三、Buck工作原理
下图3-1为Buck电路开关波形，及其传递函数。

图3-1 Buck电路的基本开关波形
Vin为输入电压，
Vout为输出电压，
Fsw为Q1开关频率
L为电感元件的电感值L，
D为开关导通占空比
根据电感元件在一个开关周期内的伏秒特性，可以写出Buck电路的传递函数，如图3-2所示

图3-2 Buck电路的传递函数计算方法

四、控制模式
如下图所示为Buck电路常见的两种控制模式。图4-1为电压控制模式，图4-2为电流控制模式。实际应用中最常见的是电压控制模式




图4-1 电压控制模式


图4-2 电流控制模式
对于电压控制模式，以及电流控制模式他们有不同的优缺点，以及不同应用场景。对于这两张控制模式，现做一个简单的比较
电压控制模式：
1，响应较慢
2，由于存在ESR，有二阶响应作用
3，补偿较为困难
电流控制模式：
1，每周期逐波限流
2，一阶系统容易补偿
3，快速响应
4，容易引起次谐波振荡

五、电感的计算

当Buck电路处于临界工作模式CRM下，电感值的计算如下。首先我们来开临界工作模式下，Buck电路的主要波形，如图5-1所示


图5-1 Buck电路工作在临界条件下的波形

假定我们要设计一个输入Vin在8~15V，输出Vout为3.3V，额定工作电流Io=3A，工作频率为500KHZ的Buck电路。在临界条件下，电感值计算公式如下5-2所示



图5-2 电感临界值的计算。
通过计算可知，工作在临界条件下，电感值为0.85uH。要使得Buck电路工作在连续CCM模式下，电感必须L>0.85uH。
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未完待续