硬件学习笔记--53 DC-DC Buck工作原理、选型及应用介绍

        DCDC Buck转换器作为现代电子系统中不可或缺的电源管理器件，其选型和应用对系统性能有着决定性影响。本文将从Buck转换器基本原理出发，详细解析选型关键参数、外围器件设计、PCB布局要点等方面，帮助工程师全面掌握Buck转换器的设计技巧。

1.Buck转换器基本原理

        Buck转换器（降压型DC-DC转换器）是一种输出电压低于输入电压的非隔离直流变换器，广泛应用于各种电子设备的电源系统中。与线性稳压器(LDO)相比，Buck转换器具有显著的高效率优势，通常效率在70%以上，高效率设计甚至可达95%以上。

        基本工作原理：Buck变换器的主电路由开关管、二极管(或同步MOS管)、输出滤波电感和输出滤波电容构成。当开关管闭合时，电感被充磁储能，电流线性增加，同时给电容充电并为负载提供能量；当开关管关断时，储能电感通过续流二极管(或同步MOS管)放电，电流线性减小，输出电压靠输出电容放电和减小的电感电流维持6。通过控制开关管开启关断的占空比，可以精确控制输出电压的大小。

        Buck转换器的工作模式根据电感电流是否连续可分为四种：连续导通模式(CCM)、边界导通模式(BCM)、非连续导通模式(DCM)和强制连续导通模式(FCCM)。不同模式下电感的电流波形特性不同，对转换器的效率和纹波性能有显著影响。

2.Buck转换器关键选型参数

2.1 电气特性参数

1）输入电压范围：必须考虑实际使用中的输入电压波动范围，确保不超过器件规格。例如工业应用常需要宽输入范围(如4.5V-60V)的Buck转换器。

2）输出电压：有固定输出和可调输出两种类型。可调输出通过外部电阻分压网络设置，提供设计灵活性。

3）输出电流能力：需评估后级电路的瞬间峰值电流和发热情况，一般按80%降额原则选择(如实际需要2A则选2.5A及以上)。

4）开关频率：影响外部电感和电容的选型。高频(1-2MHz)可减小电感体积但增加开关损耗；低频(几百kHz)有利于效率但需要更大电感。

2.2 性能指标参数

1）效率：需关注轻载和重载两种情况，高效率设计可达95%以上。同步Buck通常比异步Buck效率高5-15%。

2）纹波噪声：一般要求控制在200mV至50mV以下，高速高精度系统可能要求<10mV。轻载和重载下的纹波都需要关注。

3）负载调整率：衡量负载变化时输出电压的稳定性，优质Buck转换器通常为3%-5%。

4）线性调整率：反映输入电压变化时输出电压的稳定性，一般要求<1%。

2.3 控制模式选择

Buck转换器的控制模式直接影响环路设计和动态响应：

1）电压模式(VM)：设计复杂，响应慢，但抗噪性好。

2）峰值电流模式(PCM)：消除了输入电压响应延迟，提供高增益和过流保护，补偿更简单。

3）固定导通时间模式(COT)：无需环路补偿，瞬态响应快，全负载高效率，设计简单。

3.外围关键器件设计与选型

Buck转换器性能很大程度上取决于外围器件的正确选择和设计，主要包括电感、输入输出电容等。

3.1电感选型要点

电感是Buck转换器中最重要的外围器件之一，选型需考虑以下参数：

电感值计算：基本公式为Lₘᵢₙ=(Vᵢₙ-Vₒᵤₜ)×Vₒᵤₜ/(ΔI×f×Vᵢₙ)，其中ΔI一般取输出电流的20%-40%。实际选择时可略大于计算值。

a）电流参数：

饱和电流(Isat)：电感量下降20-30%对应的电流，峰值电流不应超过此值温升电流(Iᵣₘₛ)：使电感温升不超过40°C的电流，有效值电流不应超过此值

b）DCR(直流电阻)：影响效率，应尽可能小以减少导通损耗。

举例：对于输入24V、输出5V/3A、频率500kHz的设计，取ΔI为30%Iₒᵤₜ(0.9A)，计算得Lₘᵢₙ≈7.64μH，选择10μH电感。峰值电流Iₚₑₐₖ=3A+0.45A=3.45A，故选择饱和电流≥5A的电感。

3.2 电容选型要点

1）输入电容：减少输入电压纹波，提供瞬态电流。计算公式为Cᵢₙ=(Iₒᵤₜ×D×(1-D))/(f×ΔVᵢₙ)5。建议使用低ESR陶瓷电容，如X7R/X5R类型。

2）输出电容：影响输出电压纹波和瞬态响应。计算公式考虑纹波和瞬态响应两方面5。同样推荐低ESR陶瓷电容。

3）BST电容：用于高边驱动，一般0.1-1μF低ESR陶瓷电容，耐压高于输入电压。

设计实例：上述24V转5V/3A设计中，输入电容计算约需2.7μF，实际选用4-5个2.2μF并联；输出电容计算约需47μF，实际选用2个22μF并联。

3.3 二极管选型(异步Buck)

异步Buck需要续流二极管，选型要点：

1）反向电压≥最大输入电压

2）峰值电流>最大电感电流

3）正向压降小以减少损耗

4）肖特基二极管是优选

4.3.外围关键器件设计与选型

4. PCB布局设计要点

良好的PCB布局对Buck转换器性能至关重要，主要考虑以下方面：

1）功率回路最小化：输入电容、开关节点、电感和输出电容形成的功率回路面积应尽可能小，以降低寄生电感和EMI。

2）关键元件布局：输入电容尽量靠近芯片Vin引脚；电感靠近SW引脚但远离反馈走线；反馈电阻靠近FB引脚，走线远离噪声源。

3）接地设计：采用星型接地或单点接地；功率地和信号地分开；电容地端增加适当过孔。

4）热管理：大电流路径使用足够宽的铜箔；高热元件下方可增加散热过孔；必要时使用散热片。