深度解读DC-DC BUCK电路的工作原理

引言：

聊个最基础也最绕不开的拓扑：DC-DC BUCK。只要你画的板子不是指甲盖大小，供电十有八九靠它。能不能玩转BUCK，直接反映了你对MOSFET、电感、电容这些基本功的理解深度——这玩意儿，是硬件工程师的“标尺”。

但原理图上的几个器件，到实际稳定输出的电源，中间隔着一堆细节：自举电容是怎么“撑住”上管的？电感选小了会饱和，选大了动态响应又慢，这个平衡点怎么找？输出纹波除了和电容ESR有关，还和前馈电容什么关系？HS和LS的损耗到底谁主开关、谁主导通？

说到底，搞懂BUCK，就是一次“看山是山，看山不是山，看山又是山”的修炼。下面我们就好好说一说！

BUCK原理

如下图是同步BUCK的拓扑：

1、当Q1导通，Q2关闭，SW端电压为输入电压VIN，VIN给电感L1充电，电感电流增加，VIN=VL+VOUT，此时电感电压左正右负。电流方向为图示蓝色回路。

2、当Q1关闭，Q2打开，由于电感电流不能突变，电流按照下图红线路径形成回路，给负载供电，此时电感电流下降。电感电压左负右正。

根据伏秒法则等推导，同步BUCK得出一个比较重要的公式：

VIN*D=VOUT

简单地说，占空比跟输入输出的电压有直接关系，相对而言，如果输出电压越低，占空比就越低，理解起来就是，因为输出电压低，所以需要打开上MOS管对电感充电的时间就更少了！

（这里要注意，这个只是在完美条件下测出来的理论值，实际会因为有损耗等情况，与理论值有差别）

根据上图拓扑，得出下图波形

a、当Q1打开，Q2关闭，Vsw为高，IQ1增加，IQ2为零，电感电流增加。

b‘、当Q1关闭，Q2打开，Vsw为低，IQ1为零，IQ2减小，电感电流减小。

c、整个稳态过程，电感电流不断增加减少。

d、我们常将上管打开的时间称为Ton，其关闭的时间为Toff。两者相加是一个周期。

这里放一个有意思的仿真波形，绿色为电感左端SW电压信号，红色为输出电压信号。

当没有输出电容，但是有负载的时候，可以看到输出电压的波动随着SW开关的变化，SW为高时，VIN给电感充能，输出电压增加；SW为低时，电感消耗自身能量，输出电压变低。

DC-DC芯片框图

BUCK拓扑图，比较简单，我们结合实际DC-DC芯片框图，进行较为深入的说明。

在DC-DC芯片框图中，还是有那两个MOS管，电感，电容，多了一些 Driver，Controller等逻辑电路。

简单的说，就是利用电感储能，电流不能突变的原理，通过PWM控制 HS Driver和LS Driver进一步控制高边MOS和低边MOS的打开和关闭，调节输出的功能。

按照功能，分为逻辑驱动、功率转换、负载、电压采样和反馈补偿。

自举电容

描述

CBOOT，也叫CBST，中文意思是自举电容。

作用

维持High-side MOS的开启状态。（维持这两个字很关键）

工作过程

1、初始状态，LS导通，HS关闭（HS的 PWM输入为低），SW电压为0V，VCC通过二极管对CBST充电至VCC电压（红色路径）。

2、当PWM为高，HG电压升高过程中，HS开始导通，SW电压上升，由于CBST两端存在压差，会同步抬高BST的电压，而driver内部HG和BST连通，HG电压也会跟随BST升高（蓝色电流路径），从而维持HG-SW的压差足够高，保持HS的导通。

选型

最常见的是0.1uF。

1、自举电容不能太小，至少要保证要大于高边MOS所需的导通能量+漏电流+高边Driver消耗电流+自举电容本身的漏电流。

2、自举电容不能太大，如果太大，在对自举电容充电的时候，该周期内无法对自举电容充满，导致上电压偏小，无法使高边MOS导通，输出异常。

设计角度上，耐压需要超过芯片内部VCC电压即可，为DCDC芯片内部LDO输出电压，常见是3.3V。也有的芯片内部不做LDO，需要外部接入VCC的。

输出电感

DCR，这是电感的直流电阻，这个值越小，在电感上的损耗就越少。但是有的芯片会使用电感的DCR进行电流检测，如果有这个功能，这个值就不是越小越好了。

有意思的是，如果DCR比较大，这部分损耗会以电感温度上升的形式表达，这样又会降低电感的感值，增大纹波电流和纹波电压。

饱和电流，通常指电感量下降百分之30的时候所对应的DC电流。

温升电流，通常指电感升温40度时的电流值。

逻辑上电感有个最小值，要大于一个量才能够包容得了纹波电流。

根据电感的特性，电感越大，储能能力越强，对电流的抑制作用越明显，所以纹波会更小，但是动态响应降低。同时，一般来说，电感越大，尺寸越大，DCR越大，电感的损耗增加。

流过电感的电流由交流分量和直流分量组成，交流分量频率跟开关频率一样，会通过电容流入到地，产生响应的输出纹波电压跟ESR相关。

选择电感时要确保饱和电流Isat大于电感电流峰值Ipeak，避免电感饱和，感值下降造成MOS和电感损坏。

其中r是电流纹波率，一般选择0.3~0.5左右。

工作频率

增加频率，会缩短一个周期的时间，纹波电流将减小。

输出电容和纹波

还是这张波形图，没有输出电容，有负载的情况。简单理解，电源纹波产生的根本原因，就是上MOS管开关的过程中，电感电流的波动，进一步导致输出电压的波动。

作用：

储能，滤除电源噪声

选型：

耐压、容值、ESR等参数。

耐压一般需要降额百分之八十；

理论上容值越大，效果越好，但是不同的电容，对于相同频率的阻抗是不一样的，如下图。电容一般选择混搭的方式，即大容值的固态电解电容跟小容值的MLCC组合，以实现全频段都有较低的阻抗。

其他参数相同的情况下，输出电容的ESR越小，输出纹波就越小。从工程应用的角度去理解，就是输出是有纹波电流的，如果ESR越大，在电容这段变化的电压越大，表现出来是纹波的一部分。

前馈电容

前馈电容，为下图中的C7，并联在FB分压电阻的上端。

前馈电容的作用机制，就是利用电容两端电压不能突变的原理，将VOUT的微弱变化及时迅速的反馈到芯片FB引脚，所以其目的是增加芯片的瞬态响应，可以优化纹波。

损耗

开关损耗

开关损耗主要在高边MOS，在开启和关断的过程中，出现电压和电流的交叠区，此时消耗功率：

换句话说就是，MOS管打开是需要时间的，虽然说这个过程对于我们普遍的认知来说很快，但是工程上不能忽略。

开关频率越高，相同时间段内转换的次数就越多，所以开关频率和开关损耗成正比。

而对于下MOS，这个就有点意思了，需要捋一下过程，首先上MOS打开，给电感充能，然后上MOS关闭，进入dead time，此时由下MOS管的体二极管进行续流，dead time时间结束后，下MOS管打开，由于此时下MOS管打开的过程中，VDS电压非常低，可以认为下MOS管的开关损耗非常少。

导通损耗

上下MOS在导通的时候都会存在导通损耗，这个参数跟Rdson有关，因为MOS在导通时不是绝对的零通过电阻，只要有电阻，通过电流，就会有消耗。

这里需要注意，在稳态连续导通模式的时候，电感充电流和放电流的量是一样的，所以上下管的通过电流一样，所以HS和LS导通损耗比跟PWM的占空比有关。如果占空比D为百分之五十，可以认为上下管的导通损耗一样。

但是大部分D都小于百分之五十，所以我们说下管的导通损耗比上管的大。同时，上管主要为开关损耗。

dead time

为了不让上下MOS出现同时导通，将VCC短路到地的情况，两个MOS开关之间存在dead time，下管关闭然后经过dead time的时间，再去打开上管。此时下管的体二极管在dead time时间内续流产生的损耗以及反向恢复时产生的损耗。

体二极管存在导通压降和电流，这部分会产生损耗：

还有反向恢复损耗：

电感损耗

a、线圈损耗

由电感直流电阻DCR产生的，输出电流经过DCR，损耗以热量的形式表达。

线圈损耗可以用如下公式计算：

b、磁芯损耗

磁芯损耗跟磁芯材料相关，很难计算，需要联系电感厂商获取。一般来说，频率越高，磁损越大。

损耗总结

在网上找到一个比较好的图。

开关损耗跟开关频率和栅极电荷Qg有关，而导通损耗跟Rdson有关。

一般来说

High Side MOS 开关损耗大，导通损耗小

Low Side MOS开关损耗小，导通损耗大。

总结

DC-DC BUCK电路，研究透了发现非常有意思，一开始看山是山，然后看山不是山，最后看山又是山，相同的东西，给自己的感觉完全不一样。

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