Buck工作原理分析，连续模式，断续模式.pdf

Buck工作原理分析，连续模式，断续模式

Part01：Buck电路工作原理：

图1-1Buck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:PulseWidthModulation）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：（ContinuousConductionMode）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。
当开关管关断后，等效电路如图2-2所示：

图2-2开关管关断后，等效电路图
如图2-2所示，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。
整个过程的波形图如图2-3所示：

图2-3CCM下工作波形图
（2）DCM模式下：（DiscontinuousConductionMode）非
连续导通条件下：
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2-4所
示。

图2-4DCM模式下工作波形图
在CCM工作模式下，电路的电压输出值和输入值之间呈正比关系，
比例系数为占空比D。在DCM工作模式下，输出电压会被抬升，具
体的关系和电路的参数，开关频率以及占空比有关。推导公式如下：

,其中。
根据上述公式可以看出，当输出端开路，及电阻无穷大的时候，
输入等于输出。
分析方法2：从滤波器的角度分析
二阶滤波器：

图2-5二阶滤波器
二阶滤波器的传递函数：
二阶滤波电路的固有频率

通过对上述的传递函数的分析可以发现，二阶滤波器可以等效为一个
比例环节和一个震荡环节构成。其中震荡环节的自然震荡频率为：

，阻尼比为

.,该二阶滤波器的谐
振频率为

。所以该二阶滤波器的谐振频率小于等于自然频率，在负载一定的情
况下（既R为定值时），电容C的大小影响该二阶系统的阻尼系数，
既影响系统的响应速度和超调量；在负载一定的情况下，增大系统的
电感值，可以使得系统的阻抗增加，即在输入电压一定的情况下，得
到的纹波电流就越小。
该电路的总体阻抗为:

典型二阶滤波器电路与Buck电路的后半部分结构相同，唯一不同
的是在二阶滤波器中，电流可以双向流通，而Buck电路后半部分只允
许电流单向流动。当二阶滤波器变为只能单向流动的二阶电路时，电
路的工作过程会产生不同的结果。在该工作情况下该电路的不再是一
个滤波电路，而变成一个整流电路。

图2-6电流单向流动的二阶滤波器
Buck电路有以下三种工作模式：
（1）CCM(ContinuousConductionMode),连续导通模式：在
一个开关周期内，电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”，意
味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电
流流过。
（2）DCM，(DiscontinuousConductionMode)非连续导通模
式：在开关周期内，电感电流总会会到0，意味着电感被适当地“复
位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。
（3）BCM（BoundaryCon