解读升压电路(BOOST)与降压电路(BUCK) |
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解读升压电路(BOOST)与降压电路(BUCK)
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1、BUCK和BOOST电路详解_541板哥的博客-CSDN博客_buck电路和boost电路 2、升压电路(BOOST)与降压电路(BUCK)_FFT变换的博客-CSDN博客_buckboost升降压电路原理 3、BUCK/BOOST电路原理分析_rayufo的博客-CSDN博客_buckboost电路原理 4、深度解读四开关Buck-Boost电路及变换器 20191017_八皇后OS的博客-CSDN博客_buck-boost 5、硬件工程师笔试面试必考题】BUCK电源工作原理及电源纹波分析 - 知乎 （来自：电子硬件攻城狮 - 知乎） 目录 0.前言 1.DC-DC之BUCK电源 1.1 BUCK电源关键器件及其作用 1.2 BUCK电源工作原理 1.3 DC-DC的PCB设计布局布线注意事项 1.4 DC-DC与LDO的优缺点及选型 1.5 同等条件下DC-DC和LDO谁的体积更大？根本原因是什么？ 2.电源纹波产生的根本原因 3.电源纹波的测试方法 4.电源纹波的常见抑制方法 5.结语及拓展 拓展1：BOOST电源 拓展2：BUCK-BOOST电源 0.前言 DC-DC电源知识是硬件工程师笔试面试中必考内容，本文详细讲解DC-DC的基本拓扑结构之BUCK电源。干货较多，建议收藏慢慢品读！ 以下问题都是硬件工程师笔试面试高频问题： BUCK电源电路的基本结构是什么？[要求会画BUCK电路图]BUCK电源的原理是什么？[要求懂得其降压原理]电源纹波产生的根本原因是什么？[要求掌握DC-DC电源的电源纹波根本来源]抑制电源纹波的几种常用方法有哪些？[要求了解电源纹波的抑制方法]电源纹波的测量方法和注意事项有哪些？[要求会测量电源纹波]DC-DC电路的PCB布局布线注意事项有哪些？[要求了解DC-DC电路的PCB布局]DC-DC与LDO各自的优缺点及应用场合是什么？[会根据实际需求选型DC-DC与LDO] 1.DC-DC之BUCK电源DC-DC电源，即直流-直流变换器，是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器。DC-DC有多种拓扑结构，如BUCK（降压）、BOOST（升压）、BUCK-BOOST（升降压）三大基本拓扑结构。其中BUCK电源即降压电源，实现降压输出，BUCK电源电路基本结构如下图所示：
BUCK电源电路基本结构 1.1 BUCK电源关键器件及其作用关键器件有开关管S、电感L、电容C、二极管D。 开关管S：可以导通和关断电流，常见的开关管有三极管、MOSFET等。电感L：可以将电能转换成磁能储存起来，也能将磁能转换为电能再次释放。需要注意：电感在储能和释能转换时，电感的正负极会发生反向。流经电感的电流不能突变，只能逐步变大或变小。电容C：具有充放电功能，电容器两端电压高于外部电路电压时放电，反之充电。电容充放电不会发生正负极的反向。二极管D：具有单向导电性，电流只能单向流过。在BUCK电路中，二极管D形成了续流回路，因此D也叫作续流二极管。 1.2 BUCK电源工作原理一般通过PWM波“定频调宽”或PFM波“定宽调频”两种方式来控制开关管的导通与关断。常用PWM波控制，本文所述为PWM控制开关管的通断。 PWM波可用单片机产生，也可以使用PWM波专用芯片，如UC3842。
开关管S导通时电流回路 当PWM波控制开关管S导通时，图中红色回路为开关管导通时的回路。此时有下式成立：
电流开始从左边的电源Vin正极流出，流向负极。电流流经续流二极管D的负极不能通过，继续前进流经电感L，电感L将电能转换为磁能储存，电流继续前进流经电容C，电容C充电，电流继续流过负载R，回到电源Vin负极，整个电路通畅，输出端负载正常工作。 此时电感L的工作状态：此周期电感是左正右负，由于流过电感L的电流不能突变，所以负载R的电压是逐步增大的。
开关管S关断时电流回路 当PWM波控制开关管S关断时，图中红色回路为开关管关断时的回路。此时有下式成立：
当开关管S关断，电源Vin不再供电，电感L储存的磁能转换为电能释放，此时电感L的正负极反向（变成左负右正），电感L变成了电路里的电源。由于电流永远是从正极流向负极，所以形成了图中所示红色回路。此时续流二极管D正向导通，电感L释放的电流会逐步由大变小。 电容C的作用：当开关管S关断，电感L不能及时给负载R供电，此时电容C立马放电给负载R供电，电容C可以起到有效抑制电源纹波的作用。
斩波实现降压公式推导 Vout=DVin 从上式推导中可知 ，其中D为PWM波的占空比，占空比D的取值在0~1之间 ，因此实现了降压，这就是斩波实现降压的原理，可以通过改变PWM波的占空比D来控制降压的大小，如占空比为50%，则 ，即实现了输出比输入小一半，也就是降压了一半。 1.3 DC-DC的PCB设计布局布线注意事项 DC-DC的功率管脚应大面积铺铜皮较少电源的温升根据载流原则处理好输入输出主回路（注意铺铜的通流能力和过孔的数量）反馈线不能绕着电感L走开关电源芯片及其电感下面尽量不要布其他信号线二极管续流回路尽可能短DC-DC芯片的散热焊盘上需打矩阵过孔作进一步散热处理布局要紧凑，输入输出主干道采用“一”字型获“L”型布局方式关键滤波电容的放置要合理，采用先大后小的布局原则输出供电电源应从输出电容取电对于多路输出的开关电源尽量使相邻的电感垂直分布（麦克斯韦定律磁场相互垂直可抵消干扰） 1.4 DC-DC与LDO的优缺点及选型 DC-DC优点：效率高，输入电压范围较宽，驱动力较强。DC-DC缺点：负载响应比LDO差，输出纹波比LDO大。LDO优点：负载响应快，稳定性好，输出纹波小。LDO缺点：效率低，输入输出的电压差不能太大，驱动能力较小，负载不能太大。在实际使用中，应综合考量上述优缺点来进行器件选型。 1.5 同等条件下DC-DC和LDO谁的体积更大？根本原因是什么？同等条件下，LDO的体积更大。由于LDO的转换率更低，耗散功率更大，所以发热量更大，因此在设计时会考虑散热问题，所以其体积在其他条件相同时会相对DC-DC要大一些。 2.电源纹波产生的根本原因随着开关管S的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与开关管S开关频率同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个，它与输出电容的容量和ESR有关系，纹波频率一般为几十到几百kHz。 简单来说，一般所认为的纹波产生的最根本原因就是由于开关管S的通断过程导致电源产生波动，其频率等于开关管S的开关频率。 3.电源纹波的测试方法 示波器探头档位选定：一般选定X1档；示波器通道耦合方式设置：电源纹波是交流信号，因此设置AC耦合方式；示波器带宽限制设置：一般设置为20MHz，滤除电源的高频噪声成分，测量得到的纹波更加精准。接地方式：需要就近接地，这样纹波测量才会更加精准，并且需要把接地夹换成接地环。示波器其他设置：适当调整水平时基、垂直档位、和垂直偏移，让纹波合适的显示在示波器的中间位置。测量纹波：可以使用示波器的Measure功能自动测量纹波峰峰值和频率。也可使用垂直光标手动测量纹波峰峰值和频率。 4.电源纹波的常见抑制方法 提高开关管的开关频率。开关频率越高，纹波越小。加大电感和输出电容滤波。根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。二级滤波（即再加一级LC滤波器）。LC滤波器对纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成LC滤波电路，一般能够很好的减小纹波。电源纹波的抑制方法很多，但每种方法都有它自身的优缺点，所以在设计时需要综合考量。 5.结语及拓展特别是应届毕业生求职时，硬件岗大概率（99%）会考核DC-DC相关知识，本期给大家分享的只是DC-DC三大基本拓扑结构中的BUCK（降压）电源，关于BUCK电源，应届毕业生求职掌握本文内容就足够了。 此外DC-DC还有BOOST电源（升压）和BUCK-BOOST电源（升降压）两大拓扑结构。 本文暂且先把BOOST电源（升压）和BUCK-BOOST电源（升降压）两大拓扑结构的基本电路及原理公式给大家放在下方，供大家举一反三，学以致用。 拓展1：BOOST电源BOOST电源电路基本结构和原理公式如下：
BOOST电源电路基本结构
BOOST（升压）原理公式 拓展2：BUCK-BOOST电源BUCK-BOOST电源电路基本结构和原理公式如下：
BUCK-BOOST（升降压）电源电路基本结构
BUCK-BOOST（升降压）原理公式
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