开关电源Buck电路原理分析

1 、Buck电路原理

开关电源的Buck电路是一种降压型DC－DC转换电路，其输出电压低于输入电压。Buck电路拓扑结构如下图所示，其中S是开关管，D是续流二极管，L是电感、C是滤波电容，R是负载电阻：

其中开关管选择MOS管，通过PWM波控制MOS管导通和关闭，来控制电感的储能和释放能量，实现降压。

当开关管S导通时，开关管导通电阻比较小，相当于短路，Ui经过S、电感L给电容C充电，也是给电感L充电，同时也给负载R供电。由于电感电流不能突变，电感会产生感应电动势来阻碍电流变化（变大），电动势方向为左正右负，电感两端电压为UL = Ui – Uo，此时二极管处于截止状态，相当于断路。电流流向图如下图所示：

当开关管S断开时，流过电感L的电流会减小，由于电感电流不能突变，电感会产生感应电动势阻碍电流减小，电动势方向就是右正左负，电感两端电压为输出电压UL = Uo ，此时二极管导通。电流经过滤波电容C，经过负载R，再经过续流二极管D构成回路，电感和电容共同为负载供电。电流流向图如下图所示：

下面我们对流过电感的电流及电感两端电压在开关管闭合断开过程中变化趋势进行分析，同时对输出电压变化进行分析。MOS管开关周期为TS，开关管导通时间为Ton，闭合时间为Toff，占空比D =Ton/TS。
根据伏秒平衡定律，即 ULTon = ULToff（这里对此不作公式推导），对于Buck电路而言：

UL*Ton= ( Ui– Uo)*Ton；

UL*Toff = Uo * (TS – Ton) ；

(Ui – Uo)*Ton = Uo * (TS – Ton)；

通过公式推导，占空比参数D = Ton/TS=Uo/Ui。对上述参数有了理解后，我们进行分析。

当开关管闭合时，Ui给电感充电，随着时间增加，流过电感电流增加，两端负载R不变，因此输出电压也不断增大，当电压高过Uo时，开关管断开，断开后，电感给负载供电，随着时间增加，电路中电流减小， 输出电压也不断减小，若一直断开则电压会降为0，因此不等电压降为零开关就又闭合进行新一轮的充电，通过PWM严格控制开关管导通闭合时间。通过周期反复控制开关管的导通与关断，来控制电感的储能和释放能量，实现降压。

电感电流及输出电压变化趋势如下图所示：图示Uo的平均值为设计所需的实际值，上下浮动则为我们所说的纹波。

开关管闭合时：

开关管断开时：

输出电压：

2、同步Buck电路

由于二极管导通时至少存在0.3V的压降，因此续流二极管D上会有功耗损失，而以导通电阻极小的MOS管取代续流二极管可以提高效率。

需要注意的是，通过控制器同时控制开关管和同步整流管，要保证两个MOS管不同时导通。