Buck电路的基本原理及选型指南

皇华电子元器件IC供应商 2024-05-08 11:51

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Buck电路工作原理

电源闭合时电压会快速增加，当断开时电压会快速减小，如果开关速度足够快的话，是不是就能把负载，控制在想要的电压值以内呢？

假设12V降压到5V，也就意味着，MOS管开关需要42%时间导通，58%时间断开。

当42%时间MOS管导通时，电感被充磁储能，同时对电容进行充电，给负载提供电量。

当58%时间MOS管断开时，由于电感上的电流不能突变，电路通过电感的电流及电容为负载供电，从而将负载端的电压维持在5V。

Buck电路的器件选型

Buck电路主要由以下部分组成：

控制器芯片
功率MOS管
功率电感
输入/输出滤波电容

控制器芯片的选型

根据实际应用场景，控制器首先要满足开关电源电路的各项技术参数，其次要满足电路的工作环境要求，最后要在成本控制范围内选择适合的电源方案。

模拟控制器还是数字控制器：数字控制器外围电路简单，在线调试更容易，并可以根据应用灵活配置。

单相还是多相：根据输出电流大小来选择相数。相数不够则无法满足电流需求，相数过多则成本增加。输出电流30A以下，选择单相控制器即可；超过30A则增加至2相，以此类推，一般保持每相电流在15A~30A（取决于功率器件的能力）这个范围是比较合理的。

输入与输出电压范围：根据实际使用场景，选择输入与输出电压合适的控制器芯片，保证输入电压在控制可承受范围内，保证输出电压大小与精度符合电路设计要求。

通信协议：对于数字控制器而言，要考虑控制器芯片支持哪些通信协议，满足主控芯片对于通信接口的分配。

功率MOS管的选型

Vds耐压：保证实际MOS管工作时DS两端压差小于Vds耐压，避免MOS管被击穿。考虑到电路实际工作时MOS管DS两端的波形会有振铃，Vds耐压一般选择比输入电压高10V以上，例如输入20V，选择Vds耐压为30V的MOS。

Id电流：保证输出峰值电流不超过Id，可通过MOS管的SOA曲线来判断。MOS规格书标明的Id电流是基于Rdson和最大功率Pd计算得来的，没有考虑开关损耗，因此不能直接跟MOS的Irms进行比较，需要计算MOS整体的损耗来确定选型。

Rdson和Qg：这两个参数影响MOS管的损耗，原则是上管选择Qg更低的MOS管，下管选择Rdson小的MOS。如果Buck电路PWM的占空比较大（＞50%），上管的导通损耗也不容忽视，需要Qg和Rdson两个参数都小。另外还可以通过降低MOS管的开关频率或者将MOS管并联来降低开关损耗。

功率电感的选型

感值：电感的感值可使用以下公式计算得出，其中r是电流纹波率，一般选择0.3~0.5左右：

电感值会影响输出电源纹波和动态响应，实际应用时需要根据实际测试结果进行调整。

电流：电感的电流分为饱和电流Isat和温升电流Irms，实际工作时电感上电流波形如下：

选择电感时首先要保证饱和电流Isat大于电感电流峰值Ipeak，从而避免电感饱和，感值下降造成MOS和电感损坏。

温升电流是从电感的工作温度和损耗的角度出发，选型时尽量让温升电流大于电感电流的有效值，如下面公式所示：

DCR（直流电阻）：如果电源电路使用电感DCR做电流检测时，为了保证检测结果的一致性，电感的DCR精度尽量选择±5%以内。

滤波电容的选型

耐压值：一般电容的耐压需要降额到90%左右使用，为了更高的可靠性，在一些特定场景要求降额到50%。

容值：电容的容值影响滤波和稳压的效果，理论上容值越大，效果越好。

实际上电容的频率-阻抗特性曲线并非线性，不同电容的特性曲线也不一样。如下图所示，分别为330uF，22uF，0.1uF的特性曲线。

在低频段330uF的阻抗要明显低于22uF和0.1uF，在中间频段则是22uF的阻抗较低，高频段0.1uF的阻抗较低。因此需要针对不同频段的电源噪声，选择不同容值的电容组合滤波。

在Buck电路的输入和输出端，一般选择大容值的固态电解电容跟小容值的MLCC组合，以实现全频段都有较低的阻抗。

最大纹波电流：电容纹波电流有效值要大于实际输入电容的纹波电流。输入电容纹波电流有效值可以按照如下公式计算：

ESR（等效串联电阻）：电容的ESR主要影响电源纹波，同时也跟电容的纹波电流有效值相关。一般情况下，电容的ESR越小，纹波电流有效值越大，如下图所示：

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