开关电源：BUCK转换电路的工作原理

开关电源（Switching Mode Power Supply）即开关稳压电源，是相对于线性稳压电源的一种的新型稳压电源电路，它通过对输出电压实时监测并动态控制开关管导通与断开的时间比值来稳定输出电压。

由于开关电源效率高且容易小型化，因此已经被广泛地应用于现代大多数电子产品中。如果说每个现代家庭都至少有一个开关电源都不为过，如电视机（彩色的）、电脑、笔记本、电磁炉等等内部都有开关电源，虾米？这些东西你们家都没有？我去！那手机有没有？手机充电器也是一个小型的开关电源，中招了吧！手机也没有，那就是古代家庭了，忽略之！

如下图所示为线性稳压电源电路的基本原理图：

之所以称其为线性电源，是因为其稳定输出电压的基本原理是：通过调节调整管（如三极管）的压降VD来稳定相应的输出电压VO，也因调整管处于线性放大区而得名。如果某些因素使得输出电压VO下降了，则控制环路降低调整管的压降VD，从而保证输出电压Vo不变，反之亦然，但这样带来的缺点是调整管消耗的功率很大，使得该电路转换效率低下，当然，线性电源的优点是电路简单，纹波小，但是在很多应用场合下，转换效率才是至关重要的。

为了进一步提升稳压电路中的转换效率，提出用处于开关状态的调整管来代替线性电源中处于线性状态中的调整管，而BUCK变换器即开关电源基本拓扑之一，如下图所示：

其中，开关K1代表三极管或MOS管之类的开关管（本文以MOS管为例），通过矩形波控制开关K1只工作于截止状态（开关断开）或导通状态（开关闭合），理想情况下，这两种状态下开关管都不会有功率损耗，因此，相对于线性电源的转换效率有很大的提升。

开关电源调压的基本原理即面积等效原理，亦即冲量相等而形状不同的脉冲加在具有惯性环节上时其效果基本相同，如下图所示：

同样是从输入电源10V中获取5V的输出电压，线性稳压电源的有效面积为5×T，而对应在开关稳压电源的单个有效周期内，其有效面积为10×T×50%（占空比）=5×T，这样只要在后面加一级滤波电路，两者的输出电压有效值（平均值）是相似的。

下面我们来看看BUCK转换电路的工作原理（假设高电平开关闭合，低电平开关断开）。

当开关K1闭合时，输入电源VI通过电感L1对电容C1进行充电，电能储存在电感L1的同时也为外接负载RL提供能源。

当开关K1断开时，由于流过电感L1的电流不能突变，电感L1通过二极管D1形成导通回路（二极管D1也因此称为续流二极管），从而对输出负载RL提供能源，此时此刻，电容C1也对负载RL放电提供能源。

相关波形如下图所示：

通过控制开关K1的导通时间（占空比）即可控制输出电压的大小（平均值），当控制信号的占空比越大时，输出电压的瞬间峰值越大，则输出平均值越大，反之，输出电压平均值越小，理想状态下（忽略损耗），则输出电压与输入电压的关系如下式：

其中，Ton表示一个周期内开关闭合的时间，Toff表示一个周期内开关断开的时间，Ton/（Ton+Toff）也叫做矩形波的占空比，即一个周期内高电平脉冲宽度与整个周期的比值，亦即输出电压为输入电压与控制信号占空比的乘积，如下图所示：

BUCK变换拓扑通过配合相应的控制电路，实时监测输出电压的变化，适时地动态调整占空比开关管的导通与截止时间的比值，即可达到稳定输出电压的目的，如下图所示：

这种通过控制占空比的方式也叫做脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation, PWM），它是一种频率固定而占空比变化的控制试，相应地，也有脉冲频率调制技术（Pulse frequency Modulation, PFM），或两者的结合。

从公式中也可以看出，BUCK拓扑结构只能用来对输入电压VI进行降压处理（升压方案可参考Boost拓扑），因为控制信号的占空比是不可能超过1的，这一点与线性电源是类似的，而且设计比较好的开关电源电路，其效率可达到90%以上，这看起来似乎是个不错的降压稳压方案，但任何方案都不会是完美的，随之而来的问题也接踵而至，比如纹波、噪声、EMI等问题，下面我们简单介绍一下：

纹波即上图所示的输出电压波动成分的峰峰值，自然是越小越好。要降低纹波有很多途径，增大电感量或电容量就是常用的途径之一，电感量或电容量增加后，充放电速度（时间常数增大）都会下降，相应的纹波峰峰值也会下降，如下图所示：

对于具体的BUCK拓扑降压芯片，厂家都会提供典型的应用电路及相关的参数值，如下图所示为TI公司的集成降压芯片LM2596典型应用电路图：

我们也可以通过提高开关的频率来降低纹波，这样，在同样的电感量与电容量条件下，每次充放电的时间缩短了，这样纹波的峰峰值就下降了，如下图所示：

换句话说，在相同的纹波值条件下，如果选择开关频率较高的芯片，电感与电容值相对会小一些（即成本低一些），如下图所示为LM2596的内部开关频率为150KHz，相应的也有超过MHz的开关频率芯片。

我们用下图所示的电路参数仿真：

其中，信号发生器XFG1设置驱动峰值电压为12V，频率为150KHz，占空比50%，如下图所示：

而监测的电路参数主要是开关之后的电压、电感电流及输出电压（理论计算应为6V），我们看看下图所示的仿真结果：

其中，红线表示电感电流，绿线表示开关后的电压，蓝线表示输出电压（其值为5.7V）。看起来输出电压还是比较稳定的，我们将输出电压曲线放大一下并测量一下其纹波值，如下图所示：

纹波峰峰值为2.25mV，还是比较低的（实际的电路很有可能没这么低，特别是接上开关之类负载之后）

还有一个效率问题，与线性电源不同的是，BUCK变换器的输入电流与输出电流是不一样的，因此，不能简单地用输出电压与输入电压的比值来表征，我们只有用最原始的方法了，就是计算输出功率与输入功率的比值，如下式：

仿真电路如下图所示：

续流二极管也是损耗的一种来源，由于续流二极管存在一定的压降，只要续流二极管中有电流就存在损耗，即P=ID×VD，很明显，降低二极管损耗的有效办法是选择低压降的二极管，如肖特基二极管，但是低压降的肖特基二极管漏电流与结电容也大，会产生更大的损耗，因此需要综合各种因素考虑，我们也可以采用同步整流的方案，即使用MOS管来代替续流二极管，如下图所示：

同步整流电路方案中，Q1导通时Q2截止，则Q1截止时Q2导通，即可代替肖特基二极管的续流功能。假设原方案中的肖特基二极管压降为0.4V，流过其中的电流为3A，则损耗的功率为1.2W，如果选择导通电阻较小的MOS管（如0.01欧姆），则同样的电流条件下损耗为0.09W，大大提高了电路的效率。

理想的MOS管在工作时（即导通或截止）的压降及流过其中的电流应如下图所示：

其中，VDS表示MOS管两端的压降，而ID表示流经MOS管的电流，在任意时刻，VDS与ID都会有一个参数为0，因此消耗的功率P=U×I也应当是0，但是实际MOS管的开关与闭合都是需要过渡时间的，真实的开/关状态如下图所示：

在阴影区域，电流与电压都不再为零而引起了开关损耗，它主要与开关的切换频率有关，频率越高则单位时间内开关的次数越多，因此相应的开关损耗也越大。

另外，为避免开关电源带来的EMI问题，应该对开关电源电路的PCB布局布线格外关注，如下图所示：

在进行PCB布局布线时，应尽量使开关管与相关的续流二极管、储能电感及输出电容的电流回路是最小的，LM2596S布局布线实例如下图所示：