芯耀
3232
Part 01、前言
BUCK电路也就是降压电路，用于将输入电压降至较低的输出电压。其核心工作原理依赖于开关器件的占空比，该参数直接决定输出电压。接下来我们详细解析BUCK电路的工作原理及占空比的计算方法，并推导相关公式。
Part 02、BUCK电路基本原理
BUCK电路主要由开关器件MOSFET、二极管、电感L、电容C和负载R组成。工作过程分为两个阶段：
开关导通阶段：开关闭合，输入电压Vin通过开关和电感向负载供电，电感储能，电流线性增加，二极管截止。
开关关断阶段：开关断开，电感释放储存的能量，通过二极管向负载和电容供电，维持输出电压。
电流IL在导通阶段上升，在关断阶段下降。电压Vsw在开关状态下变化，VL波形反映了Vin - Vo和-Vo的交替。
占空比D定义为开关导通时间Ton与周期T（T=Ton+Toff）的比率：
D=Ton/T
Part 03、占空比计算公式的推导
1.理想情况下的推导
在理想BUCK电路中，忽略开关损耗和寄生参数，输出电压Vo与输入电压Vin的关系基于电压的平均值。在稳态下，电感电压的平均值等于零。根据伏秒平衡原理：
导通阶段：开关闭合，电感电压VL = Vin - Vo，持续时间Ton。
关断阶段：开关断开，电感电压VL = -Vo，持续时间Toff。
伏秒平衡方程为：
(Vin - Vo) * Ton = Vo * Toff
由于T = Ton + Toff，占空比D = Ton / T，1 - D = Toff / T，代入上式：
(Vin - Vo) * D * T = Vo * (1 - D) * T
两边消去T（T ≠ 0），得：
Vin * D - Vo * D = Vo - Vo * D
Vin * D = Vo
因此，理想情况下的占空比公式为：
D = Vo / Vin
2.考虑损耗的修正
实际电路中，开关损耗如Vsw和二极管压降如Vd会影响输出电压。导通阶段，电压降包括Vin减去开关损耗Vsw。关断阶段，二极管压降Vd影响输出。
导通阶段，电感电压VL = Vin - Vsw - Vo。
关断阶段，电感电压VL = -Vo - Vd。
伏秒平衡方程为：
(Vin - Vsw - Vo) * Ton = (Vo + Vd) * Toff
代入D = Ton / T，1 - D = Toff / T：
(Vin - Vsw - Vo) * D = (Vo + Vd) * (1 - D)
D = (Vo + Vd) / (Vin + Vd -Vsw)
举个例子，假设Vin = 12V，Vo = 5V，Vd = 0.7V，Vsw = 0.2V：
D = (5 + 0.7) / (12 + 0.7 - 0.2) = 5.7 / 12.5 ≈ 0.456
即占空比约为45.6%。
Part 04、总结
1.输出电压幅值始终小于输入电压幅值，表明BUCK变换器只能降压，且不能改变电压极性。这与占空比D = (Vo + Vd) / (Vin + Vd - Vsw)的关系一致，其中Vo < Vin。
2.输入电容电流为斩波式，与稳定直流输入电流Iin叠加，形成开关电流。开关电流呈脉冲形式，反映了开关的开/关状态。
3.输出电容电流为“平滑”的，这是因为输出电容与电感串联，电感阻止电流的突然跳变。
4.由于输出电容的平均电流为零（电容仅起滤波作用），降压变换器的平均电感电流必然等于负载电流。否则，电流来源无法平衡，违背基尔霍夫电流定律。所以平均电感电流IL_avg = Iload，因为输出电容不提供净电流。
有问题欢迎在评论区留言交流哦！
