Buck变换器工作原理分析与总结_buck变换器工作原理

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题目： Buck变换器工作原理分析与总结

目录

一、关于Buck变换器的简单介绍..........................................................21、Buck变换器另外三种叫法...........................................................22、Buck变换器工作原理结构图.......................................................2

二、Buck变换器工作原理分析...............................................................31、Buck变换器工作过程分析...........................................................32、Buck变换器反馈环路分析...........................................................43、Buck变换器的两种工作模式.......................................................4 1）Buck变换器的CCM工作模式..............................................5 2）Buck变换器的DCM工作模式..............................................6 3）Buck变换器CCM模式和DCM模式的临界条件...............7 4）两种模式的特点......................................................................84、Buck变换器电感的选择...............................................................85、Buck变换器输出电容的选择和纹波电压...................................9

三、Buck变换器工作原理总结.............................................................10

Buck变换器工作原理分析与总结

一、关于Buck变换器的简单介绍

1、Buck变换器另外三种叫法

1.降压变换器：输出电压小于输入电压。

2.串联开关稳压电源：单刀双掷开关（晶体管）串联于输入与输出之间。3.三端开关型降压稳压电源：

1)输入与输出的一根线是公用的。2)输出电压小于输入电压。

2、Buck变换器工作原理结构图

IM1M1VdcD1ID1V1L1IL1IC1C1R2VrefIsR1IORLVsE/AVeaPWMVtrVWM驱动电路VGVO误差放大器反馈环路 a VeaVtrVdcV10VVWM b Ton c d VG

图1.Buck变换器的基本原理图

由上图可知，Buck变换器主要包括：开关元件M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器（Error Amplifier，E/A），脉宽调制器（Pulse Width Modulation，PWM）和驱动电路。

二、Buck变换器工作原理分析

1、Buck变换器工作过程分析

图2.Buck变换器的工作过程

为了便于对Buck变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设：

1)开关元件M1和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零；

2)电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和等效串联电感（Equivalent Series inductance，ESL）等于零； 3)输出电压中的纹波电压和输出电压相比非常小，可以忽略不计。4)采样网络R1和R2的阻抗很大，从而使得流经它们的电流可以忽略不计。在以上假设的基础上，下面我们对Buck变换器的工作过程进行分析。

如图1所示，当开关元件M1导通时，电压V1与输出电压Vdc相等，晶体管D1处于反向截至状态，电流ID10。电流IM1IL1流经电感L1，电流线性增加。经过电容C1滤波后，产生输出电流IO和输出电压VO。采样网络R1和R2对输出电压VO进行采样得到电压信号VS，并与参考电压Vref比较放大得到信号。如图1（a）所示，信号Vea和线性上升的三角波信号Vtr比较。当VtrVea时，控制信号VWM和VG跳变为低，开关元件M1截至。此时，电感L1为了保持其电流IL1不变，电感L1中的磁场将改变电感L1两端的电压极性。这时二极管D1承受正向偏压，并有电流ID1流过，故称D1为续流二极管。若IL1IO时，电容C1处于放电状态，有利于输出电流IO和输出电压VO保持恒定。开关元件截至的状态一直保持到下一个周期的开始，当又一次满足条件VeaVtr时，开关元件M1再次导通，重复上面的过程。

由分析可得，Buck变换器的工作过程可分为两部分： 1)开关（晶体管）导通：

二极管D1截止；电感电流线性增加并储能；电容充电储能；输出电压Vo。2)开关（晶体管）关断：

二极管D1导通；电感释放能量；电容放电；输出Vo。

2、Buck变换器反馈环路分析

仔细分析Buck变换器的原理图可知，它的反馈环路是一个负反馈环路。如图3所示，当输出电压VO升高时，电压VS升高，所以误差放大器的输出电压Vea降低。由于Vea的降低，使得三角波Vtr更早的达到比较电平，所以导通时间Ton减小。因此，Buck变换器的输入能量降低。由能量守恒可知，输出电压VO降低。反之亦然。

VOVOVSVSVeaVeaTonTonVOVO

图3 Buck变换器的负反馈环路

3、Buck变换器的两种工作模式

按电感电流IL1在每个周期开始时是否从零开始，Buck变换器的工作模式可以分为电感电流连续工作模式（Continuous Conduction Mode，CCM）和电感电流不连续工作模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）两种。两种工作模式的主要波形图如图2.4所示。下面分别对这两种工作模式进行分析。

V1Vdc0IM1I2I10ID1I2I10IL1I2I10IC10TTonTofftV1Vdc0IM10TTonToffTdTidttID10IL10tIOttIOtttIC10

(a)CCM工作模式（b）DCM工作模式

图4 Buck变换器的主要工作波形图

t 1）Buck变换器的CCM工作模式

由定义可知，Buck变换器的CCM模式是指每个周期开始时电感L1上的电流不等于零，图4（a）给出了Buck变换器工作在CCM模式下的主要波形。设开关M1的导通时间为Ton，截止时间为Toff，工作时钟周期为T，则易知有

TTonToff（2-1）

开关M1的状态可以分为导通和截止两种状态。假设输入输出不变，开关M1处于导通状态时，电压V1Vdc，此时电感L1两端的电压差等于VdcVO，电感电流IL1线性上升，二极管电流ID10。在开关M1导通的时间内，电感电流的增量为

iL1Ton0VdcVOVVOdtdcTon（2-2）L1L1其中，iL1表示开关M1导通时间内电感电流的增量（A）；L1表示电感L1的电感量（H）。

当开关M1处于截止状态时，若没有二极管D1的存在，电感L1中的磁场会将电压V1感应为负值，以保持电感中电流IL1不变。这种电压极性颠倒的现象成为“电感反冲”。但此时二极管D1导通，将电压V1钳位在比地低一个二极管正向导通压降的电位。由假设条件可知，电压V1=0V。此时，电感L1两端的电压差等于VO，电感电流IL1线性下降，二极管电流ID1IL1。在开关M1截止的时间内，电感电流的增量为

ToffVVO'OiLdtToff（2-3）10L1L1'其中，iL； 1表示开关M1截止时间内电感电流的增量（A）

'

当Buck变换器处于稳态时，电感电流的增量iL1iL1，所以

VdcVOVTonOToff（2-4）L1L1整理可得

VOVdc*若令B1TonTVdc*on（2-5）

TonToffTTon，则 TVOVdc*B1（2-6）

其中，B1表示开关M1导通时间占空比。上式表明，输出电压VO随着占空比B1变化。若用G表示输出电压的电压增益，则CCM模式下Buck变化器的电压增益为VGOB（2-7）

Vdc2）Buck变换器的DCM工作模式

由定义可知，Buck变换器的DCM工作模式是指每个周期开始时电感L1上的电流等于零，图4（b）给出了Buck变换器工作在DCM模式下的主要波形。由图4（b）可知，DCM工作模式下Buck变换器共有三种状态：开关管M1导通，二极管D1导通和系统闲置（即开关管M1和二极管D1都关闭）。设开关M1的导通时间为Ton，截止时间为Toff，二极管导通时间为Td，系统闲置时间为Tid，工作时钟周期为T，则易知有

TTonToffTonTdTid

（2-8）

假设输入输出不变，开关M1处于导通状态，参考Buck变换器工作在CCM模式的公式推导过程，可以推导出DCM模式下，在开关M1导通的时间内，电感电流的增量为

TonVVVOdcVOiL1dtdcTon

（2-9）

0L1L1其中，iL1表示开关M1导通时间内电感电流的增量（A）。

同样的，当二极管D1导通，开关M1截止时，参考Buck变换器工作在CCM模式的公式推导过程，可以推导出DCM模式下，在二极管D1的导通时间内，电感电流的增量为

TdVV'iL1OdtOTd

（2-10）

0LL11'其中，iL。1表示二极管D1导通时间内电感电流的增量（A）当系统处于闲置状态时，电感电流IL1和二极管电流Id都等于零。为了维持输出电压VO和输出电流IO不变，电容C1处于放电状态。由假设条件c)可知，此时电容上的电流等于输出电流IO，即

IC1(id)IOVO（2-11）RL其中，RL表示输出负载的阻抗。

' 当Buck变换器处于稳态时，电感电流的增量iL1iL1，所以

VdcVOVTonOTd

（2-12）L1L1整理可得

VOVdc*令B1Ton（2-13）

TonTdTonT，B2d，则上式可变为 TTVOVdc*B1（2-14）

B1B2若用G表示输出电压的电压增益，则DCM模式下Buck变换器的增益为

B1

（2-15）GB1B2另外，由图2.4（b）可知，稳态时输出电流IO等于电感电流IL1的平均值，而且等于VO，所以 RLIO化简可得

VVVO11**B1B2T*dcB1TO（2-16）T2L1RL12K

（2-17）1B1B2B1G其中，KL1。联立式（2-15）和（2-17）可解得Buck变换器DCM模式下的RLT电压增益为

GVOVdc2118KB12（2-18）

3）Buck变换器CCM模式和DCM模式的临界条件

所谓Buck变换器的临界条件就是指，此时Buck变换器的工作状态即满足DCM模式的条件，又满足CCM模式的条件。由式（3）我们知道Buck变换器在DCM模式下有

VVVO11**B1B2T*dcB1TO（2-19）T2L1RL因为，此时Buck变换器又满足CCM模式的条件，所以B1B21，故有 IOIO1VdcVO1*B1TiL1（2-20）2L12因此，Buck变换器CCM模式和DCM模式的临界条件为 1iL1IO（2-21）2且Buck变换器工作在CCM和DCM模式的判断条件分别为

1CCM模式的判断条件：iL1IO

21DCM模式的判断条件：iL1IO

2联立式（2-10）和（2-21）可得

V1VO*TdIOO

（2-22）2L1RL由上式可以得出Buck变换器CCM模式和DCM模式临界条件的另一种形式

Td2L1

（2-23）RL由上式可知，若二极管导通时间Td和电感量L1固定，Buck变换器工作在CCM模式还是DCM模式由负载电阻RL决定。当电阻RL增大时，工作状态由CCM模式转化为DCM模式。

4）两种模式的特点

a)b)c)d)不连续模式电压峰值更高 不连续模式电流峰值更大

连续模式比不连续模式具有更好的可控性。

不连续模式能量完全传递，连续模式下能量不完全传递

4、Buck变换器电感的选择

选择Buck变换器电感的主要依据是变换器输出电流的大小。假设Buck变换器的最大额定输出电流为Iomax，最小额定输出电流为Iomin。

当Buck变换器的输出电流等于Iomax时，仍然要保证电感工作在非饱和状态，这样电感值才能维持恒定不变。电感值L1的恒定确保了电感上的电流线性上升和下降。

其次，最小额定输出电流Iomin和电感值L1决定了Buck变换器的工作状态是否会进入DCM模式。我们知道，当Buck变化器工作在CCM模式时有

VTonOT

（2-35）

Vdc且当输出电压VO，输入电压Vdc和变换器的工作周期T不变时，导通时间Ton保持不变。由CCM模式和DCM模式的临界条件可知，CCM模式的最小输出电流为

1IOmini

（2-36）

2又因为

VVidcO*Ton（2-37）

L1联立式（2-35）,（2-36）和（2-37）得Buck变换器CCM模式和DCM模式的临界电感值为

LcVVVTVdcVOVO**TdcOO（2-38）

2*IOminVdc2*IOminVdc5、Buck变换器输出电容的选择和纹波电压

Buck变换器输出电容的选择和纹波电压的大小密切相关。我们知道，实际的电容C1可以等效为如图4所示的电路结构。其中电阻R0为等效串连电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）,电感L0为等效串连电感（Equivalent Series Inductance，ESL）。当频率低于300KHz或500KHz时，电容C1的等效串连电感可以忽略，输出纹波电压主要取决于电容C0和等效串连电阻R0。

L1IL1IOD1IC1VC0C1VOD1L1C0R0L0IC1iL12C1的等效电路iL1IOTtVpp_coVOt VC0T/2图4 电容C1的等效电路及电容C1上的电流电压变化

由上图可知，电容C1上的电流为

IC1IL1IO

（2-39）

所以，电容C1上的电流最大变化量为iL1，故等效串连电阻R0上产生的电压波动峰峰值为

Vpp_R0iL1*R0

（2-40）

电容C0上的电压纹波峰峰值为

Vpp_co1iL1T**Q222iL1*T

（2-41）C0C08C0所以，输出电压VO上的电压纹波Vpp为 VppVpp_R0Vpp_coiL1*R0TiL1*(R0)8C0iL1*T8C0

（2-42）

但从一些厂家的产品手册可知，大多数常用铝电解电容R0*C0是一个常数，且等于50～80*10－6F。而Buck变换器的工作频率一般为20～50KHz，所以其周期为20～50*10－6S。因此，Vpp_R0R8RC0008（2-43）TVpp_coT8C0所以，一般情况下我们可以忽略电容C0产生的纹波电压，那么电压纹波Vpp近似为

VppVpp_R0iL1*R0（2-44）

而电压纹波和电感电流变化量可以由系统参数得到，所以可以求出变量R0的值。然后由常用铝电解电容R0*C0是一个常数可以计算出系统应该选用的电容值C0。

三、Buck变换器工作原理总结

1.2.3.4.5.BUCK变换器应用于降压、输入输出非隔离。

BUCK变换器工作频率不宜过高，一般小于50KHZ。当有超过一组输出时就不适合使用BUCK变换器。变换器的电器特性与电流模式关系密切。

变换器电路中的电感与电容起能量储－放作用，且两个器件接线形式必须为低通滤波样式。

6.效率高，损耗低，输出电流纹波较小，电路结构简单，比较适合使用于大功率输出。