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Buck电路的设计与参数计算

一、背景、
Buck电路，又名降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型
降压稳压器。其所用外围器件少，成本低，高能效，同时可以做到小型化，因
此在计算机，消费产品等需多电源供电的电子系统中有着广泛的应用。
二、Buck电路拓扑结构
主要由一个开关管Q1，二极管D1，电感L，输出电容C组成的
Buck变换电路，因此可以看出其电路组成结构简单，器件较少，因而成本较低。
如图2-1所示

图2-1Buck电路的基本结构

三、Buck工作原理
下图3-1为Buck电路开关波形，及其传递函数。
图3-1Buck电路的基本开关波形
Vin为输入电压，
Vout为输出电压，
Fsw为Q1开关频率
L为电感元件的电感值L，
D为开关导通占空比
根据电感元件在一个开关周期内的伏秒特性，可以写出Buck电
路的传递函数，如图3-2所示

图3-2Buck电路的传递函数计算方法

四、控制模式
如下图所示为Buck电路常见的两种控制模式。图4-1为电压控制模式，
图4-2为电流控制模式。实际应用中最常见的是电压控制模式
图4-1电压控制模式

图4-2电流控制模式
对于电压控制模式，以及电流控制模式他们有不同的优缺点，以及不同应用场景。对于
这两张控制模式，现做一个简单的比较
电压控制模式：
1，响应较慢
2，由于存在ESR，有二阶响应作用
3，补偿较为困难
电流控制模式：
1，每周期逐波限流
2，一阶系统容易补偿
3，快速响应
4，容易引起次谐波振荡

五、电感的计算
当Buck电路处于临界工作模式CRM下，电感值的计算如下。首先我们来开临界工作模
式下，Buck电路的主要波形，如图5-1所示

图5-1Buck电路工作在临界条件下的波形

假定我们要设计一个输入Vin在8~15V，输出Vout为3.3V，额定工作电流Io=3A，工
作频率为500KHZ的Buck电路。在临界条件下，电感值计算公式如下5-2所示

图5-2电感临界值的计算。
通过计算可知，工作在临界条件下，电感值为0.85uH。要使得Buck电路工作在连续CCM
模式下，电感必须L>0.85uH。
5.1CCM模式下电感值的计算
假定允许的最大纹波电流为输出电流的20%，Vin输入范围为8-15V，输出电压为3.3V，
工作频率为500KHZ，则在纹波电流为20%情况下的电感值计算值为，如下公式
代入相关值，计算得到允许纹波电流为20%情况下，电感值为8.5uH

此时流过电感的电流峰值为Ipk=3+3*20%/2=3.3A
如下图5-2所示，为CCM工作模式下各点相关波形。