BUCK电路参数设计详解：从工作原理到关键参数计算
BUCK电路参数设计详解：从工作原理到关键参数计算
BUCK电路是一种常见的降压型DC-DC转换器，广泛应用于各种电子设备中。本文将详细介绍BUCK电路的工作原理、两种主要工作模式（连续电流模式CCM和断续电流模式DCM）以及关键参数的设计方法。
BUCK电路的基本结构
BUCK变换器主要由两部分组成：主电路和控制电路。其中，主电路部分包括电感L、电阻R、二极管D和开关管Q等元件。当开关管Q导通时，输入电压Vin通过电感L对负载R供电；当开关管Q截止时，电感L通过二极管D对负载R供电。
图 2-1 BUCK变换器主电路图
BUCK电路的工作模式
根据电感电流是否连续，BUCK电路可以分为两种工作模式：连续电流模式（CCM）和断续电流模式（DCM）。
连续电流模式（CCM）
在CCM模式下，电感电流始终大于零，不会出现断流的情况。其工作波形如图2-4所示。
图 2-4 CCM 工作状态图
在开关周期Ts内，假设导通占空比为D1，关断占空比为D2，则有：
开关管开通时，电感电流上升幅度为：
$$\Delta i_L = \frac{V_{in} - V_o}{L} \cdot D_1 \cdot T_s$$开关管关闭时，电感电流下降幅度为：
$$\Delta i_L = \frac{V_o}{L} \cdot D_2 \cdot T_s$$
由于D1+D2=1，且在一个周期内上升和下降的幅度相等，可以推导出输出电压与输入电压的关系：
$$V_o = D \cdot V_{in}$$
其中，D为占空比。
断续电流模式（DCM）
在DCM模式下，电感电流会在开关管截止期间下降至零，其工作波形如图2-5所示。
图 2-5 DCM 工作状态图
在DT1时间段内，电感电流增加为：
$$\Delta i_L = \frac{V_{in} - V_o}{L} \cdot D_T1$$
在DT2时间段内，电感电流减小量为：
$$\Delta i_L = \frac{V_o}{L} \cdot D_T2$$
根据电流连续性，可以得到：
$$D_T1 + D_T2 = 1$$
在断续导通模式下，电压增益为：
$$V_o = \frac{V_{in} \cdot D_T1}{1 + \sqrt{1 - D_T1}}$$
从上式可以看出，电感电流在断续时，输出电压与占空比是非线性的。因此，在实际应用中，BUCK电路通常工作在连续电流模式（CCM）。
参数设计
在设计BUCK电路时，需要考虑以下几个关键参数：
电感值L：电感值的选择需要保证电路工作在连续电流模式，同时还要考虑纹波电流的大小。一般可以通过以下公式计算：
$$L = \frac{V_{in} \cdot (1 - D)}{2 \cdot f_s \cdot \Delta i_L}$$
其中，fs为开关频率，ΔiL为允许的最大纹波电流。输出电容C：输出电容的主要作用是滤除输出电压纹波。其值可以通过以下公式计算：
$$C = \frac{I_o \cdot \Delta t}{\Delta V_o}$$
其中，Io为输出电流，Δt为开关周期，ΔVo为允许的最大输出电压纹波。开关管Q：开关管需要承受输入电压Vin和最大电流，同时还要考虑开关损耗和导通损耗。选择时需要综合考虑这些因素。
二极管D：二极管需要承受输出电压Vo和最大电流，同时还要考虑反向恢复时间。选择时需要综合考虑这些因素。
总结
BUCK电路是一种常见的降压型DC-DC转换器，通过控制开关管的导通和截止，实现输入电压到输出电压的转换。在设计BUCK电路时，需要根据具体的应用场景和性能要求，合理选择各个元件的参数，以保证电路的稳定性和效率。