BUCK电路工作原理以及参数设计

什么是Buck电路?

BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压Uo总是小于输出电压UD。

通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、电感电感L和电容C的数值。

BUCK也是DC-DC的基本拓扑，或者称为电路结构，是沟通的DC-DC电路之一，用直流到直流的降压变换。

BUCK和BOOST使用的元件大部分相同，但元件的组成却不尽相同。

如下图所示，BUCK电路中T为全控元件（GTR，GTO，MOSFET，IGBT），当t∈[0，DT]时，T导通。

简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。

可通过采样阶梯得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。

BUCK的基本结构

从图中可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us（t）的低频倍数可以通过，而抑制us（t）的低频倍数；

电容上输出电压uo（t）就是us（t）的直流最小值再附加微小纹波uripple（t）。

电路工作频率很高，一个周期开关内电容充电电流引起的纹波波纹（t）很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有： 电容上电压宏观上可以设定恒定。

电路短路工作时，输出电容上电压由微小的纹波和增大的小纹波组成，宏观上可以是恒定的直流，这就是开关电路短路分析中的小纹波近似原理。

一个周期内电容电压上升速度欠平衡时，电容电压上升，导致后面内充电周期下降、欠压电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这个过程的电压平衡达到充电平衡，此时电压维持不变；

反之，如果一个内电荷欠缺欠缺，将导致后面周期内欠缺欠缺欠缺增加、欠缺欠缺下降，使电容电压下降速度末期欠缺减慢，这个进程的欠缺欠缺欠缺欠缺欠缺，维持电压不变。

这个过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路此时工作时，电路达到稳定平衡，电容上充电电压也达到平衡，这是电路工作时的一个通用规律。

开关S置于1位时，感应电流增加，感应储能；而当开关S置于2位时，感应电流减少，感应释放能。假定电流增加量大于电流减少量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：

此增量将产生一个平均感应电势：

此电流势将降低最终电感电流的上升速度并同时降低电感的下降速度，将导致一个开关周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的情况也一样。

在短路下一个周期内这种电流平均增量（磁链平均增量）的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路短路运行时的又一个普遍规律。

BUCK基本结构

快速将通断的复位输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制输出直流电压的指令。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的就是指导输出电压。

问导通：

输入端电源通过开关管Q及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电。电感器相当于一个恒流源，起供电电压作用。电容相当于恒压源，在电路里充当吸附的作用。

问：

电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

BUCK电路的参数设计

电感的参数

滤波器的选择要满足直到最小规定电流时，滤波器电流输出也保持连续。

在无性不连续工作状态时：

所以 越大，进入不连续状态时的电流大小越小。

电容的参数

电容的选择必须满足输出纹波的要求。

电容纹波的产生：

1.电容产生的纹波：相对较小，可以忽略不计；

2.电容电感产生的纹波：在300KHZ~500KHZ以下可以忽略不计；

3. 电容电阻产生的纹波：与esr和流过电容电流成正比。要想减小纹波，就要让esr接触的小。