Buck电路的工作原理详解

只要是学过《电力电子技术》这门课程，接触过一个名叫“Buck电路”的电力电子拓扑结构，如下图所示。

图1 Buck主电路拓扑

这是一个输入输出均为直流(DC-DC)的电路变换结构，一般输入电压高于输出电压，因此称其为降压DC-DC转换电路，即Buck电路。它的组成相对简单，主要由一个MOSFET、一个功率电感、一个二极管以及输入输出组成。其中MOSFET的主要作用是控制输入到输出的通断从而切换电路的工作模态，电感则主要是在不同的工作模态下分别起到储存能量和释放能量的作用，二极管主要是以续流为主。此外，我们发现输入和输出端还各有一个电容。输入电容的主要作用是抑制纹波电流和稳定输入电压，buck转换器会产生较高的脉冲纹波电压(di/dt)，如果没有输入电容，该纹波将会直接传导到电源输入端。输出电容的主要作用由两个：一个是滤波，较小输出纹波；二是储能稳定输出端电压，尤其是重载的时候如果缺少输出电容，环路会由于无法提供足够的电流失锁，导致输出电压为0。

简单介绍下Buck电路的工作原理：主要是通过控制MOSFET的通断来控制电路的工作模态的持续以及周期性切换从而达到稳定降压输出的目的。下面分模态简要分析：

图2 Buck电路不同工作模态下的回路示意

当MOSFET导通时，电路工作在模态1。电路中的二极管承受反压处于截止状态，输入端通过电感和输出端组成回路，见图2中的蓝色回路线条。此时输入端同时给电感充电和给负载供电。电感电流接近线性增加，从而是一个储存能量的过程。

当MOSFET关断时，电路工作在模态2。此时输入供电回路被切断，电感开始作为电源释放能量，此时二极管可作为电感放电回路的续流通道，见图2中的红色回路线条。电感电流接近线性减小，是一个释放能量的过程。

在电路参数合理的情况下，按照一定频率周期性开通和关断MOSFET，便可实现稳定的降压输出。这里开通时间和开关周期的比值称为占空比D，开关周期的倒数称为开关频率f，D和f主要影响的是输出电压的大小以及输出纹波大小和效率等等。

提到效率，这里需要介绍Buck电路的另外一副“面孔”，如图3所示，我们右边的电路相对于左边有一个明显的区域，那就是把续流二极管换成了MOSFET。事实上，这两种电路都是非常常见的Buck电路结构，左边一般称为“异步Buck",而右边称为”同步Buck"。

图3 异步Buck与同步Buck

对于一开始介绍到的异步Buck,简单分析会发现，当MOSFET-Q1关断时，电感放电电流会流经二极管，由于二极管一般会有一定的导通压降，会导致有部分能量会消耗在二极管中从而拉低电路的能量转移效率。如果把这里的二极管换成可控的MOSFET，不仅可以灵活的自主控制通断，也由于MOSFET的导通电阻比较小可以将原来消耗在二极管的能量大大较少，从而可以提高效率。

这里以同步Buck为例可以从电路原理的角度简要分析一下Buck工作时满足的物理和数量关系。

图4 同步Buck工作于模态1时的公式推导

图5 同步Buck工作于模态2时的公式推导

周期性稳定工作的电感是满足伏秒特性原则的，即一个周期内的电感电流总的变化量为0，或者可以理解为其上升阶段的电流变化量和下降阶段的电流变化量相等。因此可以得到输出电压与输入电压以及占空比之间满足的定量关系，即Vout=D*Vin。

以上是关于Buck电路的拓扑介绍以及工作过程的浅要分析。

审核编辑：汤梓红