Buck变换器工作原理介绍.doc

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1、Buck变换器工作原理介绍2.2.1Buck变换器的基本工作原理Buck变换器又称为降压变换器，串联稳压开关电源和三端开关型降压稳压电源。其基本的原理结构图如图2.2所示。图2.2Buck变换器的基本原理图由上图可知，Buck变换器主要包括：开关元件M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器（ErrorAmplifier，E/A），脉宽调制器（PulseWidthModulation，PWM）和驱动电路。为了便于对Buck变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设

2、[1]：a、开关元件M1和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零；b、电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻（EquivalentSeriesResistance，ESR）和等效串联电感（EquivalentSeriesinductance，ESL）等于零；c、输出电压中的纹波电压和输出电压相比非常小，可以忽略不计。d、采样网络R1和R2的阻抗很大，从而使得流经它们的电流可以忽略不计。在以上假设的基础上，下面我们对Buck变换器的基本原

3、理进行分析。如图2.2所示，当开关元件M1导通时，电压V1与输出电压Vdc相等，晶体管D1处于反向截至状态，电流。电流流经电感L1，电流线性增加。经过电容C1滤波后，产生输出电流和输出电压。采样网络R1和R2对输出电压进行采样得到电压信号，并与参考电压比较放大得到信号。如图2.2（a）所示，信号和线性上升的三角波信号比较。当时，控制信号和跳变为低，开关元件M1截至。此时，电感L1为了保持其电流不变，电感L1中的磁场将改变电感L1两端的电压极性。这时二极管D1承受正向偏压，并有电流流过，故称D1为续流二极管。若时，电容C1处于放电状

4、态，有利于输出电流和输出电压保持恒定。开关元件截至的状态一直保持到下一个周期的开始，当又一次满足条件时，开关元件M1再次导通，重复上面的过程。仔细分析Buck变换器的原理图可知，它的反馈环路是一个负反馈环路。如图2.3所示，当输出电压升高时，电压升高，所以误差放大器的输出电压降低。由于的降低，使得三角波更早的达到比较电平，所以导通时间减小。因此，Buck变换器的输入能量降低。由能量守恒可知，输出电压降低。反之亦然。图2.3Buck变换器的负反馈环路2.2.2Buck变换器的两种工作模式按电感电流在每个周期开始时是否从零开始，Buc

5、k变换器的工作模式可以分为电感电流连续工作模式（ContinuousConductionMode，CCM）和电感电流不连续工作模式（DiscontinuousConductionMode，DCM）两种。两种工作模式的主要波形图如图2.4所示。下面分别对这两种工作模式进行分析。(a)CCM工作模式（b）DCM工作模式图2.4Buck变换器的主要工作波形图2.2.2.1Buck变换器的CCM工作模式由定义可知，Buck变换器的CCM模式是指每个周期开始时电感L1上的电流不等于零，图2.4（a）给出了Buck变换器工作在CCM模式下的主

6、要波形。设开关M1的导通时间为，截止时间为，工作时钟周期为，则易知有（2-1）开关M1的状态可以分为导通和截止两种状态。假设输入输出不变，开关M1处于导通状态时，电压，此时电感L1两端的电压差等于，电感电流线性上升，二极管电流。在开关M1导通的时间内，电感电流的增量为（2-2）其中，表示开关M1导通时间内电感电流的增量（A）；表示电感L1的电感量（H）。当开关M1处于截止状态时，若没有二极管D1的存在，电感L1中的磁场会将电压V1感应为负值，以保持电感中电流不变。这种电压极性颠倒的现象成为“电感反冲”。但此时二极管D1导通，将电压

7、V1钳位在比地低一个二极管正向导通压降的电位。由假设条件可知，电压V1=0V。此时，电感L1两端的电压差等于，电感电流线性下降，二极管电流。在开关M1截止的时间内，电感电流的增量为（2-3）其中，表示开关M1截止时间内电感电流的增量（A）；当Buck变换器处于稳态时，电感电流的增量，所以（2-4）整理可得（2-5）若令，则（2-6）其中，表示开关M1导通时间占空比。上式表明，输出电压随着占空比变化。若用G表示输出电压的电压增益，则CCM模式下Buck变化器的电压增益为（2-7）2.2.2.2Buck变换器的DCM工作模式由定义可知

8、，Buck变换器的DCM工作模式是指每个周期开始时电感L1上的电流等于零，图2.4（b）给出了Buck变换器工作在DCM模式下的主要波形。由图2.4（b）可知，DCM工作模式下Buck变换器共有三种状态：开关管M1导通，二极管D1导通和系统闲置（即