buck变换器工作原理

BUCK变换器轻载时三种工作模式原理及应用 Adlsong

摘要摘要：：降压型Buck变换器在轻载有三种工作模式：突发模式、跳脉

冲模式和强迫连续模式。文中详细的阐述了这三种模式的工作原理，

同时介绍了这三种模式的优点及缺点。通过滞洄比较器监控输出电压

的突发模式开关管工作的时间短，效率高，纹波最大。强迫连续模式

电感的电流双向流动，效率最低，纹波最小。跳脉冲模式工作DCM

模式并跳去一些脉冲，效率和纹波介于上述两种模式之间。同时本文

给出3.3V 到2.5V的Buck变换器电感,输入电容和输出电容的计算和

选取方法。

关键词关键词：：突发模式 跳脉冲模式 强迫连续模式 轻载

Abstract: Buck conveter has three modes at light output load: burst mode, pulse skip mode and force continuous mode. The principles of three

modes are discussed in detail in this paper. The advantages and

disadvantages of three modes are presented and also compared at the

same time. The longest off time duration, highest efficiency and highest

ouput ripple voltage are featured for burst mode detecting output votage

via hysteresis comparator. The least efficiency and least ouput ripple

voltage is featured for force continuous mode with positive and negative

buck直流变换器研究现状

（一）直流变换器

当今科学技术日益发展，直流电源系统或直流驱动设备发展迅速，在各种场合中的应用越来越普遍。对直流变换器的需求和对直流变换器的性能、参数指标要求都越来越高。直流变换器的发展趋势是从大体积向小体积发展，功率密度、转换效率是从低到高发展。效率的提高使发热减少，可靠性也就大大提高。

双向直流变换器的提出和应用，实现了上述要求。双向dc-dc变换器是通过对传统的单向直流变换器改进而成，将有源开关代替无源开关，双向基本变换单元代替单向基本变换单元，通常把二极管D和开关管Q反向并联，在把电容分别并联在输出输入两端即能实现。双向dc-dc变换器改进了单向dc-dc变换器，实现能量双向传输，在生产应用中减少了器件数目，降低了成本，提高了效率，提高了性能，是直流变换器发展历程中重要的改进。

上世纪八十年代，美国学者提出双向Buck/Boost直流变换器，主要用来应用于人造卫星。上世纪九十年代，香港大学陈清泉教授进行了电动车用双向dc-dc变换器的研究实验。同年，F.Caricchi教授提出了Buck－Boost级联型双向dc-dc变换器，克服了双向直流变换器因输出输入极性相反而不适合于电动车的问题。98年，美国弗吉尼亚大学的李择元教授开展用于燃料电池的双向dc-dc变换器的研究和试验工作。综上可见，航天技术和电动车技术对直流变换器的发展应用产生了重要推动作用。

1994年Felix A．Himmelstoss 发表的文章阐述了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。主要有已下几种： Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk 、Sepic、Zeta双向直流变换器。隔离式双向dc-dc变换器有：正激、反激、推免和桥式等拓扑结构。在所有结构中，Buck和Boost是最基本的电路。

直流变换器应用很普遍，主要有：远程及数据通讯，计算机，工业仪器仪表，电动汽车，太阳能电池阵，分布式电站，军事航天等方面。舰船上的直流配电区域，也需要用到直流变换器。

Buck变换器原理

Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。

1.线路组成

图1（a）所示为由单刀双掷开关S、电感元件L和电容C组成的Buck变换器电路图。图1(b)所示为由以占空比D工作的晶体管Tr、二极管D1、电感L、电容C组成的Buck变换器电路图。电路完成把直流电压Vs转换成直流电压Vo的功能。

图１ Buck变换器电路

2.工作原理

当开关S在位置a时，有图2 (a)所示的电流流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当is>Io时，电容在充电状态。这时二极管D1承受反向电压；经时间D1Ts后（，ton为S在a位时间，Ts是周期），当开关S在b位时，如图2（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流iL不变。负载R两端电压仍是上正下负。在iL0，开关打开时，is=0，故is是脉动的，但输出电流Io，在L、D1、C作用下却是连续的，平稳的。

图２ Buck变换器电路工作过程

Boost变换器

Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。

1.线路组成

线路由开关S、电感L、电容C组成，如图1所示，完成把电压Vs升压到Vo的功能。

图１

2.工作原理

当开关S在位置a时，如图2(a)所示电流iL流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R上流过电流Io，R两端为输出电压Vo，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接Vs负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。开关S转换到位置b时，构成电路如2(b)所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持iL不变。这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源Vs串联，以高于Vo电压向电容C、负载R供电。高于Vo时，电容有充电电流；等于Vo时，充电电流为零；当Vo有降压趋势时，电容向负载R放电，维持Vo不变。

buck电路的原理

降压式变换电路（Buck电路）详解

一、BUCK电路基本结构

开关导通时等效电路 开关关断时等效电路

二、等效的电路模型及基本规律

（1）从电路可以看出，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)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。

（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充

放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上

输出的直流电压Uo有： 电容

上电压宏观上可以看作恒定。

电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。

（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。 这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。

（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S

置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于

电流减小量，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：