BUCK电路工作原理分析

BUCK电路工作原理分析
测试电路如下图4.5所示，改变驱动信号占空比，观察输入与输出关系。

通道2,输出波形
1,驱动波形
(a)BUCK测试电路(b)输出波形(c)输出波形
图4.5 BUCK升压电路(multisim)
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：
)
(
1
)
(
1
0⎰
⎰
⎰⋅
+
⋅
=
=S
on
on
S
T
t
t
d
S
T
S
dt
dt
u
T
dt
t
u
T
U
则：
d
d
S
on DU
U
T
t
U=
=
，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
D
I
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
dt
di L
u L
L = 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
on
L
on O d t I L t I I L
U U ∆=-=-12
O
d L on U U L
I 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
off
L
O t I L
U ∆=
则，O
L
off U I L
t ∆=
可求出开关周期ＴS 为
）
(1
O d O d
L off on S U U U LU I t t f
T -∆=
+==
fL
D 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。

电感电流一周期内的平均值与负载电流I O 相等，即
2
1
20I I I +=
则)1(201D D L
T U I I S
d --
= 2.电感电流i L 临界连续状态
变换电路工作在临界连续状态时，即有I 1=0，由)1(201D D L
T U I I S
d --=，可得维持电流临界连续的电感值L 0为：
)1(20D D I T U L K
S
d o -=
即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ：
)1(2D D L T U I O
S
d OK -=
式中I ok 为电感电流临界连续时的负载电流平均值。

总结：临界负载电流I ok 与输入电压U d 、电感L 、开关频率f 以及开关管T 的占空比D 都有关。

当实际负载电流I o ＞I ok 时，电感电流连续；当实际负载电流I o =I ok 时，电感电流处于连续（有断流临界点）; 当实际负载电流I o ＜I ok 时，电感电流断流。

三、输出纹波电压：
在Buck 电路中，如果滤波电容C 的容量足够大，则输出电压U 0为常数。

然而在电容C 为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。

电流连续时的输出电压纹波为：
2
22
))(1(28)1(f f D LCf
D U U c -=-=∆π 其中f 为buck 电路的开关频率， f c 为电路的截止频率。

它表明通过选择合适的L 、C 值，当满足f c ＜＜f 时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。