引言：

聊個(gè)最基礎(chǔ)也最繞不開的拓?fù)洌?a target="_blank">DC-DC BUCK。只要你畫的板子不是指甲蓋大小，供電十有八九靠它。能不能玩轉(zhuǎn)BUCK，直接反映了你對(duì)MOSFET、電感、電容這些基本功的理解深度——這玩意兒，是硬件工程師的“標(biāo)尺”。

但原理圖上的幾個(gè)器件，到實(shí)際穩(wěn)定輸出的電源，中間隔著一堆細(xì)節(jié)：自舉電容是怎么“撐住”上管的？電感選小了會(huì)飽和，選大了動(dòng)態(tài)響應(yīng)又慢，這個(gè)平衡點(diǎn)怎么找？輸出紋波除了和電容ESR有關(guān)，還和前饋電容什么關(guān)系？HS和LS的損耗到底誰(shuí)主開關(guān)、誰(shuí)主導(dǎo)通？

說(shuō)到底，搞懂BUCK，就是一次“看山是山，看山不是山，看山又是山”的修煉。下面我們就好好說(shuō)一說(shuō)！

BUCK原理

如下圖是同步BUCK的拓?fù)洌?/p>

1、當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，SW端電壓為輸入電壓VIN，VIN給電感L1充電，電感電流增加，VIN=VL+VOUT，此時(shí)電感電壓左正右負(fù)。電流方向?yàn)閳D示藍(lán)色回路。

2、當(dāng)Q1關(guān)閉，Q2打開，由于電感電流不能突變，電流按照下圖紅線路徑形成回路，給負(fù)載供電，此時(shí)電感電流下降。電感電壓左負(fù)右正。

根據(jù)伏秒法則等推導(dǎo)，同步BUCK得出一個(gè)比較重要的公式：

VIN*D=VOUT

簡(jiǎn)單地說(shuō)，占空比跟輸入輸出的電壓有直接關(guān)系，相對(duì)而言，如果輸出電壓越低，占空比就越低，理解起來(lái)就是，因?yàn)檩敵鲭妷旱?，所以需要打開上MOS管對(duì)電感充電的時(shí)間就更少了！

（這里要注意，這個(gè)只是在完美條件下測(cè)出來(lái)的理論值，實(shí)際會(huì)因?yàn)橛袚p耗等情況，與理論值有差別）

根據(jù)上圖拓?fù)洌贸鱿聢D波形

a、當(dāng)Q1打開，Q2關(guān)閉，Vsw為高，IQ1增加，IQ2為零，電感電流增加。

b‘、當(dāng)Q1關(guān)閉，Q2打開，Vsw為低，IQ1為零，IQ2減小，電感電流減小。

c、整個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，電感電流不斷增加減少。

d、我們常將上管打開的時(shí)間稱為Ton，其關(guān)閉的時(shí)間為Toff。兩者相加是一個(gè)周期。

這里放一個(gè)有意思的仿真波形，綠色為電感左端SW電壓信號(hào)，紅色為輸出電壓信號(hào)。

當(dāng)沒(méi)有輸出電容，但是有負(fù)載的時(shí)候，可以看到輸出電壓的波動(dòng)隨著SW開關(guān)的變化，SW為高時(shí)，VIN給電感充能，輸出電壓增加；SW為低時(shí)，電感消耗自身能量，輸出電壓變低。

DC-DC芯片框圖

BUCK拓?fù)鋱D，比較簡(jiǎn)單，我們結(jié)合實(shí)際DC-DC芯片框圖，進(jìn)行較為深入的說(shuō)明。

在DC-DC芯片框圖中，還是有那兩個(gè)MOS管，電感，電容，多了一些 Driver，Controller等邏輯電路。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是利用電感儲(chǔ)能，電流不能突變的原理，通過(guò)PWM控制 HS Driver和LS Driver進(jìn)一步控制高邊MOS和低邊MOS的打開和關(guān)閉，調(diào)節(jié)輸出的功能。

按照功能，分為邏輯驅(qū)動(dòng)、功率轉(zhuǎn)換、負(fù)載、電壓采樣和反饋補(bǔ)償。

自舉電容

描述

CBOOT，也叫CBST，中文意思是自舉電容。

作用

維持High-side MOS的開啟狀態(tài)。（維持這兩個(gè)字很關(guān)鍵）

工作過(guò)程

1、初始狀態(tài)，LS導(dǎo)通，HS關(guān)閉（HS的 PWM輸入為低），SW電壓為0V，VCC通過(guò)二極管對(duì)CBST充電至VCC電壓（紅色路徑）。

2、當(dāng)PWM為高，HG電壓升高過(guò)程中，HS開始導(dǎo)通，SW電壓上升，由于CBST兩端存在壓差，會(huì)同步抬高BST的電壓，而driver內(nèi)部HG和BST連通，HG電壓也會(huì)跟隨BST升高（藍(lán)色電流路徑），從而維持HG-SW的壓差足夠高，保持HS的導(dǎo)通。

選型

最常見的是0.1uF。

1、自舉電容不能太小，至少要保證要大于高邊MOS所需的導(dǎo)通能量+漏電流+高邊Driver消耗電流+自舉電容本身的漏電流。

2、自舉電容不能太大，如果太大，在對(duì)自舉電容充電的時(shí)候，該周期內(nèi)無(wú)法對(duì)自舉電容充滿，導(dǎo)致上電壓偏小，無(wú)法使高邊MOS導(dǎo)通，輸出異常。

設(shè)計(jì)角度上，耐壓需要超過(guò)芯片內(nèi)部VCC電壓即可，為DCDC芯片內(nèi)部LDO輸出電壓，常見是3.3V。也有的芯片內(nèi)部不做LDO，需要外部接入VCC的。

輸出電感

DCR，這是電感的直流電阻，這個(gè)值越小，在電感上的損耗就越少。但是有的芯片會(huì)使用電感的DCR進(jìn)行電流檢測(cè)，如果有這個(gè)功能，這個(gè)值就不是越小越好了。

有意思的是，如果DCR比較大，這部分損耗會(huì)以電感溫度上升的形式表達(dá)，這樣又會(huì)降低電感的感值，增大紋波電流和紋波電壓。

飽和電流，通常指電感量下降百分之30的時(shí)候所對(duì)應(yīng)的DC電流。

溫升電流，通常指電感升溫40度時(shí)的電流值。

邏輯上電感有個(gè)最小值，要大于一個(gè)量才能夠包容得了紋波電流。

根據(jù)電感的特性，電感越大，儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，對(duì)電流的抑制作用越明顯，所以紋波會(huì)更小，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)降低。同時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，電感越大，尺寸越大，DCR越大，電感的損耗增加。

流過(guò)電感的電流由交流分量和直流分量組成，交流分量頻率跟開關(guān)頻率一樣，會(huì)通過(guò)電容流入到地，產(chǎn)生響應(yīng)的輸出紋波電壓跟ESR相關(guān)。

選擇電感時(shí)要確保飽和電流Isat大于電感電流峰值Ipeak，避免電感飽和，感值下降造成MOS和電感損壞。

其中r是電流紋波率，一般選擇0.3~0.5左右。

工作頻率

增加頻率，會(huì)縮短一個(gè)周期的時(shí)間，紋波電流將減小。

輸出電容和紋波

還是這張波形圖，沒(méi)有輸出電容，有負(fù)載的情況。簡(jiǎn)單理解，電源紋波產(chǎn)生的根本原因，就是上MOS管開關(guān)的過(guò)程中，電感電流的波動(dòng)，進(jìn)一步導(dǎo)致輸出電壓的波動(dòng)。

作用：

儲(chǔ)能，濾除電源噪聲

選型：

耐壓、容值、ESR等參數(shù)。

耐壓一般需要降額百分之八十；

理論上容值越大，效果越好，但是不同的電容，對(duì)于相同頻率的阻抗是不一樣的，如下圖。電容一般選擇混搭的方式，即大容值的固態(tài)電解電容跟小容值的MLCC組合，以實(shí)現(xiàn)全頻段都有較低的阻抗。

其他參數(shù)相同的情況下，輸出電容的ESR越小，輸出紋波就越小。從工程應(yīng)用的角度去理解，就是輸出是有紋波電流的，如果ESR越大，在電容這段變化的電壓越大，表現(xiàn)出來(lái)是紋波的一部分。

前饋電容

前饋電容，為下圖中的C7，并聯(lián)在FB分壓電阻的上端。

前饋電容的作用機(jī)制，就是利用電容兩端電壓不能突變的原理，將VOUT的微弱變化及時(shí)迅速的反饋到芯片F(xiàn)B引腳，所以其目的是增加芯片的瞬態(tài)響應(yīng)，可以優(yōu)化紋波。

損耗

開關(guān)損耗

開關(guān)損耗主要在高邊MOS，在開啟和關(guān)斷的過(guò)程中，出現(xiàn)電壓和電流的交疊區(qū)，此時(shí)消耗功率：

換句話說(shuō)就是，MOS管打開是需要時(shí)間的，雖然說(shuō)這個(gè)過(guò)程對(duì)于我們普遍的認(rèn)知來(lái)說(shuō)很快，但是工程上不能忽略。

開關(guān)頻率越高，相同時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)換的次數(shù)就越多，所以開關(guān)頻率和開關(guān)損耗成正比。

而對(duì)于下MOS，這個(gè)就有點(diǎn)意思了，需要捋一下過(guò)程，首先上MOS打開，給電感充能，然后上MOS關(guān)閉，進(jìn)入dead time，此時(shí)由下MOS管的體二極管進(jìn)行續(xù)流，dead time時(shí)間結(jié)束后，下MOS管打開，由于此時(shí)下MOS管打開的過(guò)程中，VDS電壓非常低，可以認(rèn)為下MOS管的開關(guān)損耗非常少。

導(dǎo)通損耗

上下MOS在導(dǎo)通的時(shí)候都會(huì)存在導(dǎo)通損耗，這個(gè)參數(shù)跟Rdson有關(guān)，因?yàn)镸OS在導(dǎo)通時(shí)不是絕對(duì)的零通過(guò)電阻，只要有電阻，通過(guò)電流，就會(huì)有消耗。

這里需要注意，在穩(wěn)態(tài)連續(xù)導(dǎo)通模式的時(shí)候，電感充電流和放電流的量是一樣的，所以上下管的通過(guò)電流一樣，所以HS和LS導(dǎo)通損耗比跟PWM的占空比有關(guān)。如果占空比D為百分之五十，可以認(rèn)為上下管的導(dǎo)通損耗一樣。

但是大部分D都小于百分之五十，所以我們說(shuō)下管的導(dǎo)通損耗比上管的大。同時(shí)，上管主要為開關(guān)損耗。

dead time

為了不讓上下MOS出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通，將VCC短路到地的情況，兩個(gè)MOS開關(guān)之間存在dead time，下管關(guān)閉然后經(jīng)過(guò)dead time的時(shí)間，再去打開上管。此時(shí)下管的體二極管在dead time時(shí)間內(nèi)續(xù)流產(chǎn)生的損耗以及反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的損耗。

體二極管存在導(dǎo)通壓降和電流，這部分會(huì)產(chǎn)生損耗：

還有反向恢復(fù)損耗：

電感損耗

a、線圈損耗

由電感直流電阻DCR產(chǎn)生的，輸出電流經(jīng)過(guò)DCR，損耗以熱量的形式表達(dá)。

線圈損耗可以用如下公式計(jì)算：

b、磁芯損耗

磁芯損耗跟磁芯材料相關(guān)，很難計(jì)算，需要聯(lián)系電感廠商獲取。一般來(lái)說(shuō)，頻率越高，磁損越大。

損耗總結(jié)

在網(wǎng)上找到一個(gè)比較好的圖。

開關(guān)損耗跟開關(guān)頻率和柵極電荷Qg有關(guān)，而導(dǎo)通損耗跟Rdson有關(guān)。

一般來(lái)說(shuō)

High Side MOS 開關(guān)損耗大，導(dǎo)通損耗小

Low Side MOS開關(guān)損耗小，導(dǎo)通損耗大。

總結(jié)

DC-DC BUCK電路，研究透了發(fā)現(xiàn)非常有意思，一開始看山是山，然后看山不是山，最后看山又是山，相同的東西，給自己的感覺(jué)完全不一樣。

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