BUCK电路解析

buck 负载电流电感电流摘要：1.buck电路基本原理2.负载电流与电感电流的关系3.负载电流的影响因素4.电感电流的计算与控制5.提高buck电路效率的方法6.实际应用中的buck电路优化正文：在电子电路中，Buck 电路是一种常见的降压型直流-直流转换器，广泛应用于各种电子设备中。

本文将从以下几个方面对Buck 电路进行详细解析：一、Buck电路基本原理Buck电路主要由开关管、电感、电容和负载组成。

在工作过程中，开关管根据控制器信号导通或截止，使电感上的电流发生变化，从而实现输出电压的调节。

二、负载电流与电感电流的关系在Buck 电路中，负载电流是指通过负载的电流，电感电流是指电感器上的电流。

负载电流与电感电流之间的关系可以通过以下公式表示：负载电流= 电感电流* 电感器的电感值三、负载电流的影响因素1.电感值：电感值越大，电感电流越小，负载电流也越小。

2.开关频率：开关频率越高，电感电流变化越快，负载电流也越大。

3.输入电压和输出电压：输入电压和输出电压的差值越大，负载电流越大。

四、电感电流的计算与控制1.电感电流的计算：电感电流可通过以下公式计算：电感电流= 输入电压/ 电感器的电感值2.电感电流的控制：通过控制器调节开关管的导通和截止时间，从而实现对电感电流的控制。

五、提高Buck 电路效率的方法1.选择合适的电感和电容：较大容值的电容可以降低输出电压的纹波，提高电路的稳定性；适当增大电感值，可以减小电感电流，降低开关损耗。

2.优化开关管和控制器：选择高效的开关管，降低开关损耗；采用更适合的应用场景的控制器，提高控制精度。

3.电路布局和散热设计：合理的电路布局可以降低电磁干扰，提高电路可靠性；良好的散热设计可以降低器件的温升，延长器件寿命。

六、实际应用中的Buck 电路优化1.电源模块：在便携式电子设备中，Buck电路可用于电池充电和电压调节；2.通信设备：Buck电路可用于光纤通信设备的电源供应；3.嵌入式系统：Buck电路可作为嵌入式系统的电源管理，实现多种电压等级的转换。

BUCK电路工作原理分析首先介绍BUCK电路的基本组成部分。

BUCK电路由一个开关元件（一般为MOSFET）和一个电感组成。

开关元件用来开关输入电源和电感之间的连接，以控制输出电压的平均值。

电感是储能元件，在开关元件导通期间，通过电流源向电感储存能量；在开关元件截断期间，储存在电感中的能量通过二极管和负载传输到输出端。

BUCK电路的工作周期分为两个阶段：导通阶段和截断阶段。

在导通阶段，开关元件导通，输入电压通过电感和开关元件传递到负载，同时电感储存能量。

在截断阶段，开关元件截断，输入电压被限制在电感和负载之间，储存在电感中的能量则通过二极管和负载传输到输出端。

接下来详细分析BUCK电路的工作过程。

在导通阶段，开关元件导通，电感上的电流线性增大。

根据基尔霍夫电压定律，电感的电压降等于输入电压与输出电压之差，即Vi-Vo。

此时，电感积累的能量与电流和时间的乘积成正比，即E=(1/2)*L*i^2，其中L为电感的电感值，i为通过电感的电流。

由于电流增大连续的速率相同，可以得到E与i成正比。

在截断阶段，开关元件截断，电感储存的能量被传输到输出端。

此时，电感上的电流开始减小。

根据基尔霍夫电压定律，电感的电压降等于输出电压与负载间的电压降，即Vo。

上述能量传输的过程实际上可以看作是电感的电能转换为输出电压的能量转移。

BUCK电路的输出电压与输入电压之比由两个决定因素来控制：占空比和电感的值。

占空比是指开关元件导通时间与一个工作周期的比值。

占空比越小，输出电压越小。

而电感的值越大，输出电压也就越大。

通过合理选择这两个参数的组合，可以实现不同的输出电压。

此外，由于BUCK电路的开关频率相对较高，通常在几十kHz至数百kHz范围内，也就意味着它不会引入明显的视觉闪烁或噪音。

同时，由于BUCK电路的输入端接近恒流源，输出端接近恒压源，因此具有较好的抗扰动能力。

综上所述，BUCK电路基于开关原理和电感储能原理，通过控制开关元件的导通和截断，实现输入电压的降压功能。

降压式变换电路（Buck电路）原理详解⼀、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：此电势将减⼩电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致⼀个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状况也⼀样。

这种在稳态状况下⼀个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。

这也是电⼒电⼦电路稳态运⾏时的⼜⼀个普遍规律。

三、电感电流连续⼯作模式（CCM）下稳态⼯作过程分析。

BUCK-BOOST电路工作过程分析及说明一、直流斩波电路的基本原理Buck/Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器，其电路如图4.8。

与Buck和Boost电路不同的是，电感L f在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压相反。

开关管也采用PWM控制方式。

Buck/Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式，此处以电感电流在连续状态下的工作模式。

图4.8是电感电流连续时的主要波形。

图4.10是Buck/Boost变换器在不同工作模态下的等效电路图。

电感电流连续工作时，有两种工作模态，图4.11(a)的开关管Q导通时的工作模态，图(b)是开关管Q关断、D续流时的工作模态。

V o图4.9电路ArrayVi LFi Qi DV图4.10感电流连续工作波形V oV o(a) Q 导通 (b) Q 关断，D 续流图5.11 Buck/Boost 不同开关模态下等效电路二、电感电流连续工作原理和基本关系电感电流连续工作时，Buck/Boost 变换器有开关管Q 导通和开关管Q 关断两种工作模态。

1.在开关模态1[0~t on ]：t=0时，Q 导通，电源电压V in 加载电感L f 上，电感电流线性增长，二极管D 戒指，负载电流由电容C f 提供：f L fin di L V dt=(2-1)oo LDV I R =(2-2)ofo dV C I dt= (2-3)t=t on 时，电感电流增加到最大值max L i ，Q 关断。

在Q 导通期间电感电流增加量f L i ∆f inL y fV i D T L ∆=⋅ (2-4)2.在开关模态2[t on ~ T]:t=t on 时，Q 关断，D 续流，电感L f 贮能转为负载功率并给电容C f 充电，f L i 在输出电压Vo 作用下下降：f L fo di L V dt=(2-5)f o o oL fo f LDdV dV V i C I C dt dt R =+=+ (2-6)t=T 时，f L i 见到最小值min L i ，在t on ~ T 期间f L i 减小量f L i ∆为：(1)f o o L off y f fV Vi t D T L L ∆=⋅=- (2-7)此后，Q 又导通，转入下一工作周期。

buck电路输出电压公式推理Buck电路输出电压公式推理。

一、Buck电路基本结构。

Buck电路（降压变换器）主要由输入电源V_in、开关管（通常为MOSFET）、二极管、电感L、电容C和负载电阻R组成。

当开关管导通时，二极管反向截止，输入电源向电感充电，电感电流线性上升，此时电感储存能量；当开关管截止时，二极管正向导通，电感释放能量给负载和电容充电。

二、工作原理分析。

1. 开关管导通阶段（t_on）- 设开关管导通时间为t_on，在这个阶段，电感电压V_L = V_in-V_out（根据基尔霍夫电压定律，电感两端电压等于输入电压减去输出电压）。

- 由于电感电压和电流的关系为V_L = L(di)/(dt)，在导通阶段电感电流的变化率为(di)/(dt)=frac{V_in - V_out}{L}。

- 假设电感初始电流为I_L0，那么在导通结束时电感电流I_L1=I_L0+frac{(V_in-V_out)t_on}{L}。

2. 开关管截止阶段（t_off）- 设开关管截止时间为t_off，在这个阶段，电感电压V_L=-V_out（此时电感通过二极管向负载和电容放电）。

- 电感电流的变化率为(di)/(dt)=-frac{V_out}{L}。

- 在截止结束时电感电流I_L2=I_L1-frac{V_outt_off}{L}。

- 由于在稳态情况下，电感电流在一个周期开始和结束时相等，即I_L0 =I_L2。

- 将前面的表达式代入可得：I_L0=I_L0+frac{(V_in-V_out)t_on}{L}-frac{V_outt_off}{L}。

- 化简可得：(V_in-V_out)t_on=V_outt_off。

三、输出电压公式推导。

1. 定义开关周期T = t_on+t_off，占空比D=frac{t_on}{T}，则t_off=(1 - D)T。

2. 将t_on=DT和t_off=(1 - D)T代入(V_in-V_out)t_on=V_outt_off中，得到：- (V_in-V_out)DT = V_out(1 - D)T。

Buck电路的原理分析和参数设计连续工作状态一Buck工作原理将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制输出直流电压的平均值。

该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。

Q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。

电感相当于一个恒流源，起传递能量作用电容相当于恒压源，在电路里起到滤波的作用Q闭合: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。

导通时Q的电流闭合时C的电流L的电流和输出电流的关系。

输出电压与输入电压的关系（不考虑损耗）二 buck 的应用Buck 为降压开关电路，具有效率高，体积小，功率密度高的特点1．Buck 的效率Buck 的损耗：1.交流开关损耗 2.管子导通损耗3.电感电容等效电阻损耗Buck 的效率很高，一般可以达到60%以上，2．Buck 的开关频率频率越高，功率密度越大，但也同时带来了开关损耗。

在25~50KHZ 范围内buck 的体积可随频率的增大而减小。

三．参数的设计1．电感的参数电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。

在临界不连续工作状态时 2120I I I -=ON OI T I V V L 20-=' ON I T LV V I I 012-=- 所以L L '≥ L 越大，进入不连续状态时的电流就越小2．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： 相对很小，可以忽略不计2. 电容等效电感产生的纹波：在300KHZ~500KHZ 以下可以忽略不计3. 电容等效电阻产生的纹波：与esr 和流过电容电流成正比。

为了减小纹波，就要让esr 尽量的小。

不连续工作状态（1）开关管Q 导通，电感电流由零增加到最大（2）开关管Q 关断，二极管D 续流，电感电流从最大降到零； （3）开关管Q 和二极管D 都关断（截止），在此期间电感电流保持为零，负载由输出滤波电容来供电。

Buck工作原理分析，连续模式，断续模式Part01：Buck电路工作原理：图1-1 Buck电路拓扑结构Buck电路的拓扑结构如图1-1所示：（1） input接输入电源，既直流电动势；（2） IGBT1为开关管，可以选择以全控型开关管为主，对于高频状态多使用MOSFET,对于高电压状态，多采用IGBT（MOSFET或者IGBT由Buck电路具体工作情况决定）。

Buck变换器又称降压变换器，通过控制input侧直流电动势的供电与断电实现输出测的降压。

开关管的控制方式根据控制信号的不同主要又分为以下三种方式：a) 脉冲调制型：保持开关周期T不变，调节开关导通时刻ton，（PWM: Pulse Width Modulation）最常用，最容易实现b) 频率调制（调频型）：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T.c) 混合调制：同时改变ton和T，使得占空比ton/T发生改变。

（3）电感储能，Buck电路中电感起到储能的作用，当开关管导通后，电源向电感充电；当开关管关闭后，电感经过二极管续流。

通常电感中电流是否连续取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

（4）二极管为续流二极管，当开关管关断以后，为电感的能量提供续流通道。

（5）输出负载侧接负载，一般先经过电容滤波然后再接负载。

Part02：工作工程分析分析方法1：常规角度分析（时域分析）本次设计中，以MOSFET为例分析Buck电路的工作工程。

Buck 电路根据电感电流IL的连续与断续存在连续导通工作状态和非连续导通工作状态。

（1） CCM模式下：（Continuous Conduction Mode）连续工作模式当开关管导通时,等效电路如图2-2所示：图2-1 开关管导通时，等效电路图由图2-1所示，输入电源Vin向整个电路供电，电感电流增加，一开始，流过电感的电流小于负载电流IL，此时负载电流由电感和电容共同提供。

当电流逐渐增加到大于输出的平均电流的时候，电感电流为负载和电容提供能量。

BUCK电路工作原理分析
在工作时，BUCK电路通过周期性地开关和关闭开关来实现降压。

当
开关（MOSFET或BJT）处于闭合状态时，电感L会存储能量，同时保持电
流稳定。

此时负载电流通过电感流过，并且电容起到平滑输出电压的作用。

当开关闭合后，电感L短路，造成通过电感的电流急剧上升。

由于其
自感性质，电感L会阻碍电流的急剧变化，并产生一个反向自感电动势。

这个电动势使得电感两端的电压降低，导致开关附近的电压下降。

随后，开关断开，使电感L开始工作。

自感电动势的作用下，电感L
试图保持电流不变，并使电流通过负载电阻RL。

负载电流通过负载电阻RL，同时也通过电容C来平滑电压，这样就实现了稳定的输出电压。

BUCK电路的输出电压可以通过调节开关的占空比来控制。

占空比是
开关打开时间和一个开关周期时间之间的比例。

当占空比增加时，开关会
更长时间地打开，导致电感L存储更多的能量，进而增加输出电压。

相反，当占空比减小时，输出电压随之降低。

需要注意的是，BUCK电路的能量转换过程并不是100%有效的。

部分
能量会以热量的形式损失在开关和电感元件中，所以BUCK电路的效率并
不会达到100%。

因此，在实际应用中需要考虑能量损失和热量管理问题，以确保电路的正常运行。

总结起来，BUCK电路通过周期性的开关和断开来实现降压，通过自
感电压变化来稳定输出电压。

通过调节开关的占空比，可以灵活地控制输
出电压。

然而，电路效率受到能量损失的影响，因此在设计中需要综合考
虑电路的效率和热量管理问题。

Buck电路的多角度干货解析描述1. Buck 电路的模型Buck 电路是最常见的电路，具体电路结构如图所示。

对其进行等效，得到的等效电路如图 2 所示：对图1 进行等效后得到徒图2 电路，可以看出相当于一个脉冲波形的输出，高电压幅值为Vin，即图1 输入直流的电压值，低电压为0。

由于图1 中D1 的存在，使得电流只能单向流动，因此在图2 中等效为串联二极管D2。

2. Buck 电路的常规角度分析2.1 时域分析方法下面按着电容充放电和电感充放电进行时域分析。

时域分析的过程是按着输入电压的高与低，分析电路里电容电压和电感电流的变化过程。

这个分析过程可以按着大多课本上面所讲述的过程分析，从CCM模式到DCM 模式。

(1)CCM 模式当输入电压为Vin 时，电感电流增加，电流小于输出负载电流iL，此时的负载电流由电感和电容同时提供。

当电流逐渐增加到大于输出的平均电流的时候，电感电流为负载和电容提供能量。

当输入为0，即开关管关断时，电感电流下降，此时电流依然大于输出平均值，电容电压延续上述上升的趋势，直至电感电流小于输出平均电流，电容开始放电，完成一个开关周期的循环过程。

具体的波形如下：(2)DCM模式在 DCM 模式下，电感的电流在开关管管断后的一段时间后逐渐减为零，此时的等效输入电压为输出电压值，具体的波形如图4 所示。

在 CCM 模式下，电压的输出值与输入值之间是正比关系，比例系数为占空比D。

在DCM 的模式下电压会被抬升，具体的关系和电路的参数、开关频率以及占空比相关。

具体的推导关系为：其中根据此公式可以看出，当电路输出开路，即电阻无穷大的时候，输入等于输出。

2.2 相平面分析上面的分析过程中，电感电流以及电容的电压都被看作是三角波的上升和下降，其实在有些过程中这些状态变量是正弦变化的，下面从相平面的方式分析它的工作过程。

(1)CCM 模式CCM 模式下的电路的相平面图为图5 所示，红色部分为电感电流和电容电压的变化范围和变化过程。

Buck 电路参数选择原理和计算3.1 参数选择原理在Buck 电路中的电感L 和电容C 组成低通滤波器，此滤波器的设计原则是，使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。

但是，构建一个能够让直流分量通过而且完全滤除开关频率及其谐波分量的完美的滤波器是不可能的，所以，在输出中至少有一小部分是由于开关产生的高频谐波。

因此，输出电压波形事实上如图3.1所示，可以表达为)()(00t u U t u ripple +=（3.1）U )(t ripple (0t u图3.1输出电压波形所以实际的输出电压由所需要的直流分量0U 加少量的交流分量ripple u 所组成，交流分量由低通滤波器未能完全衰减的开关谐波所产生。

由于直流变换器的作用使产生所需的直流的输出，因此希望输出电压开关纹波应很小。

所以，通常可以假设开关纹波的幅值远远小于直流分量，即0maxU u ripple<<（3.2）因此，输出电压近似为直流分量0U ，而忽略其小纹波成分ripple u ，即00)(U t u ≈（3.4）上述近似称为小纹波近似，或称线性纹波近似，可大大简化变换器波形的分析。

下面分析电感电流波形，进而得出电感的计算公式。

通过电感电压波形的积分可以得到电感电流。

开关在位置1时，电感在左侧与输入电压d U 相连，电路简化为下图3.1（a ）。

电感电压为)()(0t u U t u d L -=（3.5）dU )(0t u（a ）)(0t u（b ） 图3.1如上所述，输出电压)(0t u 为其直流分量0U 加小的交流纹波成分)(t u ripple 。

采用小纹波近似，式（3.4）中的)(0t u 用其直流分量0U 代替，得到0)(U U t u d L -=（3.6）开关在位置1时，电感电压等于0U U d -，如图3.1（b ）所示。

电感电压方程为dtt di Lt u L L )()(= （3.7）在第一个子区间，由上式可以解得电感电流波形的斜率为LU U Lt u dtt di d L L 0)()(-== （3.8）由于开关在位置1时，电感电压近似为常量，因此电感电流的变化率也近似为常数，电感电流线性上升。

BUCK 电路案例分析图文说明BUCK 电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值U o 总是小于输入电压U d 。

一、BUCK 电路工作原理Q1导通期间（t on ）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D 反偏。

等效电路如图5.7(b)所示 ；Q1关断期间（t off ）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D 导通续流。

等效电路如5.7 (c)所示；由波形图5.7 (b)可以计算出输出电压的平均值为：)0(1)(100⎰⎰⎰⋅+⋅==SononST tt d ST Sdt dt u T dt t u T U则：d dS onDU U T t U ==0，D 为占空比。

忽略器件功率损耗，即输入输出电流关系为：d d O d O I DI U U I 1==。

图4.6 BUCK电路工作过程二、电感工作模式分析下图4.7为BUCK电路中电感流过电流情况。

图4.7电感电流波形图电感中的电流i L是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

1.电感电流i L连续模式：⑴在t on 期间:电感上的电压为dtdi Lu LL = 由于电感L 和电容C 无损耗，因此i L 从I 1线性增长至I 2，上式可以写成onLon O d t I L t I I LU U ∆=-=-12Od L on U U LI t -∆=)(式中△I L =I 2－I 1为电感上电流的变化量，U O 为输出电压的平均值。

⑵在t off 期间:假设电感中的电流i L 从I 2线性下降到I 1，则有offLO t I LU ∆=则，OLoff U I Lt ∆=可求出开关周期ＴS 为）(1O d O dL off on S U U U LU I t t fT -∆=+==fLD D U fLU U U U I d d O d O L )1()(-=-=∆上式中△I L 为流过电感电流的峰－峰值，最大为I 2，最小为I 1。