硬件系统工程师宝典（30）-----降压式Buck电路分析

欢迎来到电子工程探索之旅，继续我们的《硬件系统工程师宝典》系列课程。今天，我们将深入解析DC/DC转换中的经典电路——降压式Buck电路，它以其高效和宽广的稳压范围而备受青睐。

降压式Buck电路详解

Buck电路，又名串联开关稳压电路，其基本结构如图（a）所示，为了提升效率，通常采用高速FET。电路工作模式分为连续电流模式（CCM）和断续电流模式（DCM）。在CCM中，如图（b）和（c）所示，电感电流始终为正，而DCM则在开关管关闭时短暂出现零电流，如图（d）所示。

在电感电流连续模式下，如下的波形图揭示了电路的工作动态（图未附）：

• 开关状态1：当Q导通时，电流通过电感并增加，电流变化规律...


• 开关状态2：Q关断时，电感电流短暂降低，二极管导通以维持电流连续，电感电压...


• 通过分析，电流平衡要求Buck电路的输出电压平均值与占空比δ成正比，最大输出电压受输入限制。

纹波电压控制与设计要素

为了减小纹波，除了输入输出电压，增大储能电感L和滤波电容C至关重要。提高工作频率f也有助于降低纹波，但会增加开关损耗。电感电流断续模式（图未附）则在电感储能不足时发生。

设计降压式Buck电路时，以下步骤不可忽视：

1. 选择合适的续流二极管VD，考虑其工作电流、耐压，留有余量。


2. 确定开关频率，一般选择20kHz以上，以避免音频干扰，但需平衡频率提高带来的损耗与效率问题。


3. 选择MOSFET、IGBT或GTR作为开关管。


4. 合理设定占空比，保持输出电压稳定，常见选择0.7。


5. 计算临界电感，一般取其10倍。


6. 根据负载需求选择电容，确保耐压并能处理瞬态电流。


7. 纹波电压要求决定了电容容量的确定。


8. 导线的选择要满足电流有效值（RMS）需求，计算方法...


9. 依据电流有效值和工作频率计算导线截面积和线路配置。

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