buck降压斩波电路

Buck 降压斩波器是实际使用数量最多的一类斩波电路，也是各大厂商开关电源芯片中种类最多一类。降压斩波电路的原理也相对易于理解，所以作为斩波电路的第一节来讲解。

设想这么个场合，某房间仅需要1kW的取暖功率，但是手边仅有2kW的电暖气，是不是可以通过加一个开关的方法，开关隔几分钟间歇通断就可以实现1kW电暖气的效果？这就是斩波电路最朴素的一种模型，如图1所示。

                                                                    图一

取暖器那样的“迟滞效应”负载可以接受电流的断续，但是对于大多数负载，例如电灯，是不能使用如图1那样的电路的。如何能让电流连续呢，3种常用无源电子元件中电感作用就是使电流连续。1) 图2所示，给负载端串联电感L即可保证负载上电流连续。

 2) 开关断开时，参考图8所示的参考电压方向，电感上电压UL_OFF为：  

3) 根据稳态时电感两端电压平均值为零的特性，可推导出式3，其中，D的含义是占空比(Duty Cycle)。通过式4可知，Buck 电路为降压电路，输出电压（电感电流连续时）正比与开关的占空比。

 4) 若电感L电流不连续，则TOFF时间段需要分为两段进行分析。即电感有电流时段TOFF1，电感电压为-Uo，电感无电流时段TOFF2，电感电压为0（此时负载依靠滤波电容供电）。通过式5推导可知，输出电压UO值会偏高。

图9所示的 TINA 仿真电路将定量分析 Buck 电路中元件参数对电路的影响。1) 为简单起见，使用了时间开关 SW1 来模拟 MOSFET 开关，时间开关的占空比设为0.6，具体开关频率根据仿真需要设定。2) 滤波电容CO串联了电阻RCS，用于模拟电容的等效串联电阻，虽然 TINA 中电容的等效串联电阻参数可以设定，但这里直接串联电阻来仿真直观些。

首先来仿真滤波电容等效串联电阻RCS对输出电压纹波的影响。1) 开关频率保持1MHz，同时监测二极管阴极电压VF1和输出电压UO。2) VF1上电压如果是完美方波，则表示电感电流连续。SW1 闭合时，VF1电压肯定是10V。但 SW1 断开时，VF1电压只有电感电流连续时才会保持在接近0V（忽略SD1的管压降）。3) 如图10所示，VF1电压为完美方波，所以电感电流连续。RCS取值100mΩ，可以看出UO的纹波电压电压比较明显。进一步分析可以看出，SW1 闭合阶段，UO输出增大；SW1 断开阶段，UO输出降低，呈现锯齿状。纹波电压的来源就是锯齿状纹波电流在RCS上的压降。

4) 如图11所示，其他参数均不改变，将RCS将为10mΩ，纹波电压明显降低。以上分析可以看出，直流电源滤波电容的效果不仅是看电容值的大小，而是与电容等效串联电阻直接相关。同种类电容，电容值越大，电容等效串联电阻越小。而同容量钽电容的等效串联电阻要远小于铝电解电容，这是钽电容滤波效果好的根本原因。

无论是图10还是图11，VF1的波形都是完美方波，这意味着电感电流连续，输出电压值也接近6V的理论值。下面来讨论电感电流不连续的情况。1) 如图12所示，将开关频率降为100kHz，VF1的波形不再是完美的方波，这说明电感电流不连续。2) 虽然RCS取值10mΩ，但是纹波电压却和图10中100mΩ情况差不多，这是因为开关频率降低了10倍，电流起伏时间延长，纹波电流峰值增大，自然纹波电压也增大，基本符合十倍的关系。3) 输出电压UO达到了7.1V，比电感电流连续时理论值6V要高，符合前面的分析。4) 图13中，电感电流断续时间段，VF1的电压产生了振铃，其趋势是等于UO。当电感电流不再变化时，UL电压为零，VF1电压当然就等于UO了。

5) 如图14所示，进一步减小开关频率，电感电流断续的时间更长，可以更明显的看出UO输出电压以达到9V，偏离6V的“理论值”更远。电流断续时间段，VF1的电压在经历振铃以后，保持在9V，直到 SW1 再次闭合后电压钳位至输入电压10V。

图13和图14表明，开关频率会影响电感电流是否连续，这是因为电感、滤波电容、负载一定时，电感电流下降率是一定的，开关频率越高，则 SW1 断开时间越短，电感电流越不易下降到零，从而电流连续。下面的仿真将通过改变电感L实现电感电流连续。1) 如图15所示，将电感L增大到1mH，维持20kHz的开关频率不变。2) 电感电流衰减公式如式6所示，电感量越大，电流衰减速度越小。因此，即使开关频率不高，通过增大电感也可以使电感电流连续。

 （6）

总结一下以上的讨论：虽然我们一般都希望电感电流是连续的，但是电感量大小，滤波电容，开关频率乃至负载大小都会影响电感电流是否连续。1) 电感值越大，电流衰减越慢，电流越容易连续。2) 开关频率越高，TOFF绝对时间就越短，电流越容易连续。3) 负载越重（电阻值越小），电感电流初值越大，电流越容易连续。想象一下极端情况，如果负载断路，电感电流在开关闭合时也将是零，更不要说开关断开了。这一结论留待读者自行仿真。