Buck电路不是“降个压”这么简单Buck电路即降压式DC-DC转换器是电源设计中最基础也最常见的拓扑之一。它效率高、输出功率大但也伴随着开关噪声和EMI挑战。你真的吃透它了吗本文将从基本工作原理出发逐步深入到电感设计、电容选型、功耗分析并借助TI TPS62134DRGTR这款典型芯片带你系统掌握Buck电路的设计要点。1、Buck的基本工作原理Buck电路的核心是一个高频开关管、一个电感、一个续流二极管或同步整流管以及输出电容。工作过程开关管导通输入电压通过开关管向电感储能同时为负载供电二极管反偏开关管关断电感电流通过二极管续流继续为负载提供能量关键特性输出电压永远低于输入电压总效率很高动态特性良好缺点是高频开关引入输出纹波和EMI2、Buck电路的两种工作状态Buck 电路根据电感电流是否连续可以分为两种工作模式DCM 和 CCM。DCM断续导通模式在空载或轻载时负载电流较小电感储存的能量在一个开关周期内可能被完全释放。此时电感电流会下降到零。DCM 模式下系统通常会降低开关频率或者进入间歇工作状态以减少开关损耗提高轻载效率。CCM连续导通模式当负载电流较大时电感电流在整个开关周期内始终大于零。CCM 模式通常出现在中重载条件下。此时 Buck 一般采用定频 PWM 控制通过调整占空比维持输出电压稳定。两者的边界线判断公式如下这两种工作模式的输出特性不同。实际的产品通常在空载/轻载DCM时我们设计让电路降低开关频率或间歇工作电路工作的频率降低以减小开关损耗提高效率重载时转入PWM定频调宽模式。3、同步整流Buck电路传统 Buck 使用二极管作为续流器件。问题是二极管存在正向压降尤其在低压大电流输出时续流损耗会非常明显。为提高效率现代低压 Buck 大多采用同步整流结构也就是用一颗低 RDS(on) 的 NMOS 替代续流二极管。RDS(on) 很低时 VDS 会很小可以大大提高续流期的效率。2颗 MOSFET 互补导通在两个开关管的工作死区时间内续流管的体二极管会导通改善 MOSFET 的开关环境。4、Buck电路的总功耗在实际电路中Buck的损耗来源很多主要包括以下几类1.电感、电容和走线损耗在高频状态下电感和电容都不是理想器件。电感有 DCR 和磁芯损耗电容有 ESR 和 ESLPCB 走线也有寄生电阻和寄生电感。2.斩波管导通损耗3.斩波管开关损耗4.续流管导通损耗5.续流管开关损耗忽略6.死区时间内的二极管损耗5、输出电感怎么选电感是 Buck 中最核心的储能器件之一。电感值选得过大或过小都会带来问题。首先依据输出电压的纹波确定电感电流的总变化范围通常取值在20%-60% 输出电流之间。如果电感过大电感电流纹波会变小输出纹波也会降低但电感体积会增大如果电感过小动态响应会变快但电感电流纹波增大。从上图可以看到考虑多种元素最高电流变化范围在0.4倍的输出电流是较佳工作点。然后利用公式可以计算出电感量6、输入/输出电容选型输入电容的选择需要保证它的允许电流大于满载时的有效值要求应考虑ESR与电流有效值并联高频特性好的去耦电容输出电容对输出的影响是最大的不能忽略它的寄生电感和电阻对输出性能的影响应考虑ESLESR与电流有效值。因此输出电容选型通常要分三步1.先通过公式估算满足纹波要求所需的最小电容量2.把初选电容 的ESR/ ESL代入公式进行核算最终确定电容值3.最后检查电容的允许流过电流应大于电感电流的最大变化范围√37、集成 Buck IC 实例随着电源芯片集成度提高市场上出现了大量低压降压式 DC-DC 集成解决方案。它是把斩波管续流管和所有复杂的控制电路都集成在一个封装中优势是集成度很高周边器件少功率器件的走线可以做到最短。我们以TI 的一款3A集成Buck IC TPS62134DRGTR 为例为大家讲解一下Buck芯片的特点。这是一颗输入电压最高可达 17V、输出电流 3A 的集成 Buck 芯片适合 12V 系统应用。它在轻载时工作于调频模式空载静态电流只有 20μA内部用于续流的 NMOS 电阻约 40mΩ因此续流损耗较低整体效率表现较好。同时它的动态性能好输出精度高外围器件很少集成的内部功能完备。轻载PSM模式效率曲线根据数据手册的曲线可以看出在轻载这一段随着输出电流的减小它的工作频率在逐渐降低同时在这一段保持了DC-DC的高效率。输入电压接近输出电压时效率更高这是它特有的轻载PSM 模式。降频率的依据根据给出的公式达到这个边界时斩波管的驱动关闭电流释放到零时再次打开。8、集成Buck电路的PCB布线原则关键要点C1大容量滤波电容C2小容量高频电容连线尽量短同一层避免过孔C3高频电容布置在负载前同样走线短、同层、避免过孔C4大容量滤波电容设计原则所有电容的地线必须走功率地高频电流环路面积尽量小C1、C2 与 IC 形成的环路C3、C4、L 与 IC 形成的环路其它信号线应绕开 Buck 电路的大电流/高频区域每层都要注意输出电压反馈信号必须从 C4 之后取点Buck 是最常见的降压式 DC-DC 拓扑也是电子工程师必须掌握的核心电源电路。它通过高频开关、电感储能和电容滤波实现高效率降压转换。对于电子工程师和电子爱好者来说Buck 的难点不在原理而在工程实现效率、纹波、温升、动态响应和 EMI最终都要靠器件选型和布局细节来决定。