Buck变换器原理及模式分析

Buck变换器又称降压变换器(Step Down Converter)，作为一种最基本的DC/DC拓扑已在各种电源产品中得到广泛应用。
一、Buck变换器的组成和工作原理
Buck变换器的主电路结构如图1所示。在图1中，Vi为输入电压、Vo为输出电压、VT为PWM控制的开关管、L为储能电感、i_L为流过电感的电流、VD为续流二极管、C为输出滤波电容、RL为负载电阻。 在开关管VT导通期间，二极管VD截止，输入电源通过电感L向负载提供电能，同时流过电感的电流i_L线性增加，将电能转换成磁能储存在电感L中，当电感电流增加到大于Io后，电容进入充电状态。在开关管VT关断期间，二极管VD导通续流，流过电感的电流i_L线性减小，在减小到Io之前，电感电流给负载供电，同时给电容充电；当i_L减小到小于Io之后，电容进入放电状态，向负载供电，以维持输出电压稳定。
二、Buck变换器的工作模式与等效电路
    如上所述，在VT导通期间，电感电流i_L增加；而在VT关断期间，电感电流iL减小。根据电感电流在VT关断期间是否出现断续可将Buck变换器划分为两种模式：连续导电模
式  (Continuous Conduction Mode， CCM)和不连续导电模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)。如果Buck变换器工作于DCM，则在VT关断期间，电感电流i_L减小到零时，新的开通周期还没有到来；如果在VT关断期间，电感中一直有电流流过，则Buck变换器工作于CCM。
1 CCM时的等效电路
Buck变换器工作于CCM时，开关管VT导通和关断的等效电路分别如图2a、b所示。 1) 当开关管VT导通时，VD因承受反向电压而截止。电流通过电感流向负载，在负载上流过的电流为Io，流过电感的电流i_L线性增加，负载两端的输出电压Vo为上正下负，储能电感L将电能转换成磁能储存在电感L中，当电感电流增加到大于Io后，一部分给负载供电，一部分给电容充电。其等效电路如图2a所示。
2) 当开关管VT关断时，由于电感电流不能突变，使得VD因承受正向偏压而导通。电感电流i_L在此阶段线性减小，在电感电流i_L减小到Io之前，电感电流一部分给负载供电，一部分给电容充电，当电感电流i_L减小到小于Io后，电容进入放电状态，和电感同时为负载供能，以维持输出电压和输出电流不变。其等效电路如图2b所示。
2 DCM时的等效电路
当Buck变换器工作于DCM时，开关导通和关断的等效电路分别如图3a、b所示。 1) 当开关管VT导通时，VD因承受反向电压而截止，流过电感的电流iL线性增加，储能电感L将电能转换成磁能储存在电感L中，与CCM时不同的是电感电流从零开始增加。当i_L增加到大于Io后，一部分给负载供电，一部分给电容充电。其等效电路如图3a所示。
2) 当开关管VT关断时，Buck变换器的工作过程可分成两个阶段，其等效电路如图3b所示。
第一阶段：开关管VT关断时，由于电感电流不能突变，使VD因承受正偏而导通，电感电流i_L线性减小，在电感电流i_L减小到零之前，其工作过程同CCM时的(2)。
第二阶段：当电感电流减小到零后，二极管VD关断，电容以电流i_C＝Io放电，负载电流完全由电容提供，该过程一直持续到下一个开通周期到来。