我是“余生死磕电源，致力于成为电源大师”的“电源先生”。嗨，硬件攻城狮或电源工程师同行们，我想写本专门解析BUCK电源电路的书籍，以下是“前言”内容的部分摘录以及当前的目录，当前已经完成22万多字500多页了，即使如此，离真正出版书籍，还有很长的路要走。重要说明：后续不在CSDN平台更新这些内容了，会在其他平台更新，感兴趣的伙伴请自行搜索“电源先生”，谢谢。目录本书使用的单位、符号和缩词4非隔离降压型开关电源的知识图谱7第1章 概述251.1 开关电源中常见的术语有哪些？251.2 开关电源的基本拓扑是哪三种？为什么只有三种？281.3 什么是开关电源控制器和开关电源转换器？291.4 什么是隔离开关电源和非隔离开关电源？301.5 什么是负载点（POL, Point-Of-Load）电源？301.6 开关电源的类型总结311.7 什么是尺度平移方法？331.7.1 小尺度与大尺度331.7.2 尺度平移方法341.7.3 动能公式、电能公式和磁能公式351.7 温故知新之电感和电容的基础知识371.7.1 理解开关电源中的储能电容和功率电感371.7.2 储能电容371.7.2.1 电容？电容器？电容量？381.7.2.x 温度特性381.7.2.x 直流偏压特性381.7.2.x 什么是等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）？381.7.2.x 什么是等效串联电感（Equivalent Series Inductance, ESL）？391.7.3 功率电感391.7.3.1 什么是电感？391.7.3.2 电感的铁芯材料有哪些？铁芯形状有哪些？封装结构有哪些？401.7.3.3 什么是电感磁饱和？431.7.3.4 什么是温升电流、RMS电流、饱和电流、额定电流？451.7.3.5 什么是直流电阻（DC Resistance, DCR）？481.7.3.6 什么是交流电阻（AC Resistance, ACR）？481.7.3.7 什么是自谐振频率（Self-Resonant Frequency, SRF）？481.7.3.8 功率电感有耐压值这个参数？501.7.3.9 功率电感的损耗501.7.3.10 功率电感的选型501.7.3.11 功率电感元件示例50第2章 降压电路的工作原理552.1 降压电路的工作原理552.1.1 为什么需要降压拓扑？552.1.1.1 在降压电路被发明应用之前，将较高电压转换为较低电压用什么方法？552.1.1.2 为什么需要BUCK降压电路？或者说，降压电路被发明是要解决什么问题？572.1.2 工作原理简述642.2 什么是非同步（异步）整流和同步整流？672.2.1 非同步降压控制器682.2.1.1 高边开关使用P-MOSFET的非同步降压控制器682.2.1.2 高边开关使用N-MOSFET的非同步降压控制器702.2.1 同步降压控制器712.2.1.1 高边开关使用P-MOSFET的同步降压控制器712.2.1.2 高边开关使用N-MOSFET的同步降压控制器722.2.3 非同步降压转换器732.2.3.1 高边开关使用三极管的非同步降压转换器732.2.3.2 高边开关使用P-MOSFET 的非同步降压转换器752.2.3.3 高边开关使用N-MOSFET 的非同步降压转换器772.2.4 同步降压转换器782.2.4.1 高边开关使用P-MOSFET 的同步降压转换器782.2.4.2 高边开关使用N-MOSFET 的同步降压转换器802.2.4.3 低边开关使用N-MOSFET 的同步降压转换器812.3 降压电路的导通模式有哪些？822.3.1 连续导通模式 CCM842.3.3 临界导通模式 BCM852.3.4 断续导通模式 DCM852.3.2 强迫连续模式 FCCM872.4 降压电路的工作模式有哪些？882.4.1 脉冲宽度调制 PWM882.4.2 脉冲频率调制 PFM892.4.3 脉冲跨周期调制 PSM902.4.4 自动模式 Auto Mode912.5 降压电路的控制模式有哪些？912.5.1 电压模式控制 Voltage-Mode Control922.5.2 电流模式控制 Current-Mode Control942.5.3 迟滞控制 Hysteretic Control992.5.4 恒定导通时间控制 Constant On-Time Control1002.5.5 自适应导通时间控制 Adaptive On-Time Control1052.5.7 无缝转换的直接控制 DCS-Control1062.6 开关电源的电流检测技术有哪些？1072.6.1 精密电阻检流1082.6.1.1 精密电阻检流的原理？1082.6.1.2 检流电阻该放置在哪里？1092.6.2 功率电感的直流电阻（DCR）检流1112.6.2.1 功率电感DCR检流的原理？1122.6.2.2 如何设置DCR检流电路的限流阈值？1132.6.2.3 如何优化DCR检流电路的噪声抑制能力？1152.6.2.4 如何提升DCR检流电路的一致性？1162.6.2.5 为何需要DCR检流温度补偿网络？1162.6.2.6 DCR检流电路应用实例1172.6.3 MOSFET RDS(ON)检流1192.6.4 检流电路应用实例1202.7 开关电源的开关管驱动技术有哪些？120第3章 降压电路的参数解析1213.1 基本概念1213.2.1 什么是平均值和有效值？1213.1.1 什么是对偶原理？1243.1.2 什么是电感伏秒平衡？1243.1.3 什么是电容安秒平衡？1273.1.4 降压电路的直流增益和直流传递函数1273.1.4.1 CCM模式的直流增益和直流传递函数1273.1.4.2 DCM模式的直流增益和直流传递函数1313.1.4.3 CCM模式与DCM模式的“关键条件”1353.1.4.4 CCM模式与DCM模式的对比1383.1.5 降压电路的占空比1383.1.5.1 CCM模式下的占空比1393.1.5.2 DCM模式下的占空比141问题3.1.1-1：占空比与输入电压或输出电压的正比或反比关系？141问题3.1.1-2：占空比与负载电流的变化是否有正比或反比关系呢？141问题3.1.1-3：降压电路的占空比最小值和最大值的限制因素是什么？142问题3.1.1-4：降压电路的占空比是否可以等于100%？143问题3.1.1-5：占空比D与CCM、DCM模式的关系？1443.1.6 降压电路的开关频率1463.1.6.1 开关周期1463.1.6.2 开关频率147问题：开关频率大小的限制因素是什么？1493.1.5 什么是死区时间Dead Time？1493.2 降压电路中的电压1513.2.1 什么是纹波和噪声？1523.2.2 降压电路中有哪些电压参数？153问题3.2.2-1：降压电路输出电压最小值和最大值的限制因素是什么？157问题3.2.2-2：降压电路输入电压最小值和最大值的限制因素是什么？160问题3.2.2-3：降压电路的最恶劣工况是什么？1633.2.3 降压电路的输入纹波电压1633.2.4 降压电路的输出纹波电压1703.2.5 降压电路的开关节点电压1813.2.6 降压电路的电压应力总结1823.3 降压电路中的电流1833.2.2 开关电源有哪些电流参数？1863.2.3 电流纹波系数1903.2.3.1 电流纹波系数的定义1903.2.3.2 电流纹波系数 与感值 的关系？1903.2.3.3 电流纹波系数 与CCM、BCM和DCM三种模式的关系？1913.2.3.4 电流纹波系数 在 之间取值是否有最优值？1923.2.4 电感的纹波电流1943.2.4.1 纹波电流理论值1943.2.4.2 纹波电流实际值1953.2.4.3 纹波电流瞬时值1983.2.4.4 纹波电流的波形2003.2.5 电感的交流电流2003.2.6 电感的瞬时电流2003.2.7 电感的平均电流2023.2.8 电感的有效电流2043.2.9 电感上的峰值电流2093.2.13 高边开关管的瞬时电流、平均电流和有效电流2113.2.13.1 高边开关管上的瞬时电流2113.2.13.2 高边开关管上的平均电流2113.2.13.3 高边开关管上的有效电流2133.2.14 低边开关管或续流二极管的瞬时电流、平均电流和有效电流2143.2.14.1 低边开关管或续流二极管上的瞬时电流2143.2.14.2 低边开关管或续流二极管上的平均电流2143.2.14.3 低边开关管或续流二极管上的有效电流2153.2.11 输入电容的瞬时电流、平均电流和有效电流2153.2.11.1 输入电容的瞬时电流2163.2.11.2 输入电容的平均电流2183.2.11.3 输入电容的有效电流219问题3.2.11-1：输入电容均方根电流的最大值是多少？该最大值的指导意义是什么？2233.2.12 输出电容的瞬时电流、平均电流和有效电流2253.2.12.1 输出电容的瞬时电流2253.2.12.2 输出电容的平均电流2253.2.12.3 输出电容的有效电流2273.2.10 输入端和输出端的平均电流227问题3.2.10-1：理论上输入电流的最小值是多少？2293.2.15 降压电路的电流应力总结2293.4 降压电路的功率、损耗和效率2313.4.1 输入功率、输出功率、损耗功率和效率2313.4.2 电感上的功率损耗2333.4.2.1 直流电阻损耗（DC Resistance Loss）2333.4.2.2 交流电阻损耗（AC Resistance Loss）2343.9.4 开关管上的功率损耗2353.9.4.1 导通损耗2363.9.4.2 截止损耗2433.9.4.3 开关损耗2443.9.4.4 死区时间损耗2523.9.4.5 体二极管反向恢复损耗2543.9.4.6 输出电容损耗2553.9.4.7 栅极驱动损耗2563.9.5 续流二极管上的功率损耗2643.9.2 输入电容上的功率损耗2653.9.3 输出电容上的功率损耗2653.9.7 器件工作损耗2653.9.8 非同步与同步降压电路的功率损耗计算案例2663.9.9 小结2693.5 降压电路电感值的计算公式270第4章 动态响应与频率补偿2734.1 如何理解动态响应2734.2273第5章 降压电路的应用方法2755.1 降压电路的设计流程2755.2 确定设计需求2785.3 降压芯片选型2805.4 输出电压设置 Output Voltage Setting2845.2.1 反馈电阻取值方法2845.2.2 反馈电阻取值大小的影响2865.2.1.1 影响待机功耗2865.2.1.2 影响输出电压精度2875.2.1.3 影响反馈环路稳定性2905.2.2 反馈电阻取值实例TPS54561DPRT2915.2.3 如何得到最小输出电压（实例TPS54561DPRT）？2935.2.3 如何实现比基准更低的输出电压？2945.2.4 前馈电容的原理、作用与取值？2945.2.5 什么是近端反馈和远端反馈（Remote Sensing Feedback）？2955.2.6 什么是DVS、AVS和DVFS？2955.5 开关频率配置2965.3.1 配置开关频率的注意事项？或什么是折返频率？2965.3.1 配置开关频率的方法？2965.3.1.1 LM5088MHX-2/NOPB器件的开关频率配置方法2965.3.1.2 TPS54561DPRT器件的开关频率配置方法2985.3.1.3 LTC3707EGN-SYNC#PBF器件的开关频率配置方法2985.3.1.4 ADP3020ARU器件的开关频率配置方法3005.3.1.5 小结3025.3.2 何时需要调节开关频率的大小？3025.6 功率电感的选型3035.4.1 功率电感额定/饱和电流取值的依据是什么？3045.4.2 功率电感值选择的依据3045.4.3 功率电感的选型步骤3055.4.4 功率电感的选型实例3065.7 高边开关和低边开关的选型3075.7.1 功率MOSFET的选型3075.7.2 续流二极管的选型3085.8 输出电容的选型3105.8.1 输出电容的作用3105.8.2 输出电容ESR带来的不良影响3115.8.3 输出电容取值的考量因素3115.8.4 输出电容的选型步骤3115.8.5 输出电容选型的其他要求3135.8.6 输出电容的选型实例3135.9 输入电容的选型3135.7.1 输入电容取值的考量因素3155.10 自举电路（Bootstrap Circuit）3155.10.1 开关电源为何需要自举电路？3165.10.2 二极管&电容自举的原理3175.10.3 二极管&电容自举电路中的电流和电压3245.10.3.1 自举电容在TON时间的放电电流大小3245.10.3.2 自举电容在TOFF时间的充电电流大小3245.10.3.3 自举电路在TOFF时间的充电电流大小3255.10.3.4 自举电路消耗的平均电流大小3255.10.4 自举电容（Bootstrap Capacitor）的选型3265.10.4.1 如何确定自举电容的耐压值？3265.10.4.2 如何确定自举电容的取值范围？3265.10.4 自举二极管（Bootstrap Diode）的选型3365.10.6 自举电阻（Bootstrap Resistor）3375.10.6.1 为何使用自举电阻？3375.10.6.2 如何取值自举电阻？3375.10.6.3 自举电阻上的电压跌落3385.10.6.4 自举电阻对转换效率的影响3425.10.7 何时及如何使用外部偏置电源？3435.11 软启动与浪涌电流抑制3455.11.1 什么是软启动？软启动时间？启动时间？3455.11.2 什么是浪涌电流？3495.11.3 如何配置软启动时间的大小？3515.11.4 何时需要更长的软启动时间？3545.11.4.1 输出电容增加且浪涌电流保持不变3545.11.4.2 降低电源电路启动时的浪涌电流3545.11.4.3 输出电压非单调上升3565.11.5 如何延长软启动时间？如何抑制浪涌电流？3585.11.5.1 基于单颗P-MOSFET实现输入端浪涌电流抑制3595.11.5.2 基于分立Loadswitch实现输入端浪涌电流抑制3605.11.5.3 基于Loadswitch IC实现输入端浪涌电流抑制3625.11.5.4 基于集成方案的输入端浪涌电流抑制功能3625.11.5.5 基于SS引脚的软启动时间配置实例TPS54561DPRT3635.11.5.6 基于EN引脚的软启动时间配置实例LM5116MH/NOPB3645.11.5.7 基于FB引脚的软启动时间配置实例TPS54561DPRT3645.11.5.8 基于分立Loadswitch的软启动时间配置实例TPS54561DPRT3655.11.5.9 基于Loadswitch IC的软启动时间配置实例 TPS54561DPRT3665.12 使能引脚的应用3665.12.1 关注使能引脚的耐压范围3665.12.2 硬件使能3665.12.3 UVLO阈值设置368问题：“图5.2.1.2 TPS54561DPRT参考电路原理图”支持的UVLO开始输入电压最小值是多少？3715.12.4 基于EN引脚实现受控使能/非能3715.12.5 基于SS引脚实现受控使能/非能3735.12.6 受控使能/非能和UVLO阈值设置3735.13 电源工作正常的指示信号3745.14 EN/SS/PWRGD实现多电源时序和跟踪3755.14.1 使用EN引脚和被动器件实现电源时序功能3755.14.2 使用EN引脚和PWRGD引脚实现电源时序功能3765.14.3 使用EN引脚和SS/TR引脚实现两个电源的启动时间相同3765.14.4 使用EN引脚和SS/TR引脚实现电源跟踪功能3775.15 PCB Layout设计3785.15.1 CISPR 22: EMC标准简介3785.15.1 降压电路PCB Layout设计常用规则3785.15.1.1 Feedback反馈走线的版图设计3795.15.2 如何减少降压电路中的EMI？3805.15.2.1 原理设计方法：在自举电容Cboot上串联自举电阻Rboot3805.15.2.2 原理设计方法：在高边开关管的栅极串联电阻Rgate3815.15.2.3 原理设计方法：在PH节点上增加RC Snubber电路3815.15.2.4 原理设计方法：在输入端串联RL Snubber电路3815.15.2.5 版图设计方法：减小“交变电流环路”的面积3825.16 TPS54561DPRT非同步降压转换器典型应用电路3835.16.1 应用实例1：12V输入到5V/5A输出的降压电路3845.16.1.1 输出电压设置3845.16.1.2 开关频率配置3855.16.1.3 功率电感选型3865.16.1.4 续流二极管的选型3885.16.1.5 输出电容的选型3895.16.1.6 输入电容的选型3935.16.1.7 自举电容和自举二极管的选型3955.16.1.8 软启动电容的选型3955.16.1.9 使能信号3975.16.1.10 UVLO阈值配置3985.16.1.11 误差放大器补偿4065.16.1.12 功率损耗估算4065.16.1.13 不连续导通模式和省电模式的边界4085.16.1.14 波形测量结果4085.16.2 应用实例2：12V输入到0.8V输出的降压电路4095.16.3 应用实例3：从正向输入到正负输出的分轨电源电路4095.17 LM5116MH/NOPB同步降压控制器电路应用实例4095.17.1 LM5116MH/NOPB内部原理框图和关键特性4095.17.2 LM5116MH/NOPB典型应用电路的设计需求4135.17.3 LM5116MH/NOPB典型应用电路的设计步骤4145.17.3.1 输出电压设置4145.17.3.2 开关频率配置4145.17.3.3 功率电感的选型4155.17.3.4 功率MOSFET的选型4165.17.3.5 输出电容的选型4175.17.3.6 输入电容的选型4195.17.3.7 自举电容和自举二极管的选型4215.17.3.8 软启动电容的选型4225.17.3.9 使能信号4235.17.3.10 UVLO阈值配置4245.17.3.11 误差放大器补偿4255.17.3.12 检流电阻配置4255.17.3.13 RAMP电容配置4275.17.3.14 功率损耗估算4275.17.3.15 PCB布局布线4295.17.3.16 波形测量结果4305.18 LM5161PWPR同步降压转换器典型应用电路4305.18.1 LM5161PWPR内部原理框图和关键特性4305.18.2 LM5161PWPR典型应用电路的设计需求4325.18.3 LM5161PWPR典型应用电路的设计步骤4335.18.3.1 输出电压设置4335.18.3.2 开关频率配置4335.18.3.3 功率电感的选型4345.18.3.4 功率开关的选型4355.18.3.5 输出电容的选型4355.18.3.6 输入电容的选型4375.18.3.7 自举电容和自举二极管的选型4385.18.3.8 软启动电容的选型4385.18.3.9 使能信号4395.18.3.10 UVLO阈值配置4405.18.3.11 纹波注入电路*4405.18.3.12 功率损耗估算4415.18.3.13 PCB布局布线4425.19 LM25149RGYR同步降压控制器典型应用电路14445.19.1 LM25149RGYR内部原理框图和关键特性4445.19.2 LM25149RGYR典型应用电路的设计需求4455.19.3 LM25149RGYR典型应用电路的设计步骤4465.19.3.1 输出电压设置4465.19.3.2 开关频率配置4475.19.3.3 功率电感的选型4485.19.3.4 功率MOSFET的选型4485.19.3.5 输出电容的选型4495.19.3.6 输入电容的选型4515.18.3.7 自举电容和自举二极管的选型4515.19.3.8 软启动（待续）4525.19.3.9 使能信号4535.19.3.10 误差放大器补偿（待续）4545.19.3.11 检流电阻配置4545.19.3.12 有源滤波电路（待续）4565.19.3.13 功率损耗估算4565.20 LM25149RGYR同步降压控制器典型应用电路24585.20.1 LM25149RGYR典型应用电路的设计需求4585.20.2 LM25149RGYR典型应用电路的设计步骤4595.20.2.1 输出电压设置4595.20.2.2 开关频率配置4595.20.2.3 功率电感的选型4595.20.2.4 功率MOSFET的选型4605.20.2.5 输出电容的选型4605.20.2.6 输入电容的选型4635.20.2.7 自举电容和自举二极管的选型4645.20.2.8 软启动（待续）4645.20.2.9 使能信号4645.20.2.10 误差放大器补偿（待续）4645.20.2.11 检流电阻配置4645.20.2.12 有源滤波电路（待续）4645.20.2.13 功率损耗估算4655.21 LTC3311JV#PBF多相降压的典型应用电路（两相并联）4675.21.1 LTC3311JV#PBF内部原理框图和关键特性4675.21.2 LTC3311JV#PBF典型应用电路的设计需求4685.21.3 LTC3311JV#PBF典型应用电路的设计步骤4695.21.3.1 输出电压设置4695.21.3.2 开关频率配置4695.21.3.3 功率电感的选型4705.21.3.4 功率开关的选型4705.21.3.5 输出电容的选型4705.21.3.6 输入电容的选型4725.21.3.7 自举电容和自举二极管的选型4735.21.3.8 软启动电容的选型4745.21.3.9 使能信号4745.21.3.10 误差放大器补偿（待续）4755.21.3.11 工作模式/频率同步/多相并联4755.20 降压电路的常见错误及解决方法4775.20.1 为何电源电路无法正常启动（1）？4785.20.2 为何电源电路无法正常启动（2）？4795.20.2.1 不良现象4795.20.2.2 解决对策482陶瓷电容器啸叫的原因与对策484功率电感器啸叫的原因与对策484第6章 降压电路的测试与测量4886.1 开关电源电路有哪些评价指标？4886.1.1 输出电压精度是否合规？4886.1.2 输出纹波电压是否合规？4916.1.3 线性调整率是否合规？如何测量？4956.1.4 输出电压是否单调上升？如何测量？4966.1.5 启动时间是否合规？如何测量？4976.1.6 保持时间是否合规？如何测量？4996.1.7 死区时间是否合规？如何测量？4996.1.8 浪涌电流是否合规？如何测量？4996.1.13 环路是否稳定？4996.1.14 转换效率是否达标？测量方法？4996.1.8 负载调整率是否满足设计需求？如何测量？5006.1.3 开关节点是否有较大的开关噪声？5016.1.3.1 开关噪声产生的原理？5026.1.3.2 开关噪声抑制的方法？5026.1.4 开关节点是否有较大的振铃？如何测量？如何改善？5036.1.5 功率电感是否有较大的纹波电流？如何测量？5036.1.6 功率电感是否有磁饱和的风险？如何判断功率电感是否发生了磁饱和现象？5056.1.6.1 计算最大电感电流5066.1.6.2 测量电感电流波形5086.1.6.3 其他初步判断方法5096.2 开关电源的辅助电路有哪些？5096.2.1 过流保护功能OCP及测试方法5106.2.2 短路保护功能SCP及测试方法5126.2.3 欠压保护功能UVP及测试方法5136.2.4 过压保护功能OVP及测试方法5136.2.5 热关断TSD/OTP及测试方法5136.2.6 输出放电功能 Output Discharge Function5156.2.7 预偏置启动和输出预偏置保护5156.2.8 尖峰电压抑制 Spike Voltage Suppression5166.2.9 双电源供电电路516如何解决双电源供电中的电流倒灌问题？5176.3 如何测量输出端纹波和噪声？5186.4 如何测量降压电路的动态响应？5226.5 如何测量降压电路的转换效率？522第7章 电源芯片规格书的阅读方法525附1 参考资料526附2 内容声明526附3 版本记录526}

专栏/降压（Buck）变换电路设计原理、参数取值及MATLAB仿真实验2022年11月29日 12:32--浏览 ·
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--评论创作不易，欢迎大家点赞关注+收藏。仿真程序见底部，免费获取。降压（Buck）变换电路是一种输出直流电压小于等于输入直流电压的单管非隔离直流变换电路。降压电路图如图1所示。图1 Buck电路图Buck变换电路的两个工况如图2所示，即主开关管导通和主开关管截止两种情况。图2-1 开关管导通图2-2 开关管截止为了方便分析Buck电路的稳态特性，简化推导公式过程，给出如下假设：1）开关管、二极管均是理想器件，即不考虑导通时的管压降、可以瞬时导通或瞬时截止，且截止时不产生漏电流。2）电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而没有饱和，寄生电阻为0，电容的等效串联电阻也为0。3）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值很小，可以近视忽略。首先，定义占空比D为开关管导通时间ton与开关周期Ts的比值，即D=ton/Ts。根据电感电流是否连续，Buck电路有3中工作模式，即：连续导电模式、不连续导电模式和临界状态。电感电流连续是指输出滤波电感的电流始终大于0；电感电流不连续是指开关管在关断期间有一段时间流过滤波电感的电流等于0；临界状态是指在这两种工作模式之间有一个临界连续模式，即在开关管关断末期，滤波电感的电流刚好下降为0。输入电压与输出电压关系的推导下面具体分析一下工作稳态的情况，得出输出与输入之间的关系。主开关导通时，如图2-1所示，直流电源电压通过开关管直接加到二极管两段，二极管因承受反向电压而截至。电流流过电感，稳态时输入输出电压保持不变，则电感两端电压的极性为左正右负，忽略管压降，可以得出电感电流线性上升的增量为主开关截止时，Buck变换电路如图2b所示。电感两端电压的极性为左-右+，二极管导通，忽略二极管压降，同样认为电感中电流可近视为线性下降，下降的绝对量表示为电路工作在稳态时，电感电流的波形必然周期性重复，开关管导通期间电流的增加量等于关断期间电流的减少量。进而可以推导出Uo=DUs。可以看出，改变输出电压的大小，可以通过调节开关管的占空比得出。由于D<1，所以输出电压始终要小于输入电压，此为降压特性。连续导电模式下，Buck变换电路的电压增益为M=Uo/Us=D。临界状态的电感值计算如果在开关周期处电感电流刚好将为0，则电感电流处于连续和断续的临界状态。此时负载电流Io和电感电流i_l有如下关系，i_L=2Io。联立可以得出临界电感值纹波电压及电容的计算流过电容的电流对电容充电产生的电压称为纹波电压。它的表达式为根据要求的纹波电压和其他参数可求得电路中的电容值为综上可以看出，电感的取值大小与电路中的占空比、负载、开关频率等有关，电容的取值与输出电压、纹波电压、电感值、开关频率、占空比等有关。值得说明的是，开关频率越高，电感和电容的值越小。实验仿真结果下面举2个例子，具体说明电路设计过程。例1，设计一个降压变换电路，技术指标：输入电压200V，输出电压50V，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻20欧，工作频率20KHz。1）设计参数，主开关使用MOSFET器件，开关频率20KHz；2）输入200V，输出50V，可确定占空比D=0.2；3）选择电感在实际中，实际电感值可选择1.3倍的临界电感值，即L=1.3Lc=6e-4H。4）根据纹波电压计算电容值：设计仿真电路图图3 直流200V转直流50V仿真结果图4 直流200V转直流50V例2，设计一个Buck变换电路，技术指标：输入电压65V，输出电压5V，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻10欧，工作频率10KHz。设计参数，主开关使用IGBT器件，开关频率10KHz；为了计算方便，利用Matlab写了一个计算占空比、电感、电容的程序，如图所示图5 电感、电容计算设计仿真电路图图6 直流65V转5V仿真结果图6 直流65V转直流5VMATLAB仿真程序：链接：https://pan.baidu.com/s/1QK9aOZMFqAxlfdHagvKlwQ?pwd=1130 提取码：1130目录------1}

大家好，本人是一名在读大学生，所学专业为电子科学与技术，曾参加全国大学生电子设计竞赛荣获国家级二等奖，对FPGA、嵌入式和硬件制作比较感兴趣，想在一些博客平台记录自己的学习过程和分享一些相关的技术文章。如果你也对FPGA、嵌入式和硬件制作感兴趣，欢迎前来我的博客园、CSDN和微信公众号进行关注和阅读。我会不定时更新相关的文章，分享我的学习心得和技术见解。同时，我也非常愿意与其他同行进行交流和讨论，共同学习和进步。博客园：码上芯路人CSDN：码上芯路人微信公众号：码上芯路人电路原理图和PCB提取方式（立创EDA文件）： 关注微信公众号：码上芯路人
私信：硬件设计1. BUCK电路基础1.1 BUCK电路物理基础BUCK电路是一种基于电感储能原理的DC-DC变换器，其涉及到物理中的电磁感应和电能转换的基本原理。在BUCK电路中，通过控制输入占空比可变的PWM波切换开关管的导通和断开状态，将输入电源提供的直流电压转换为可调的低电压输出，从而满足不同电路的供电需求。具体来说，BUCK电路中的电感在导通状态下，将电流通过电感中心核心的磁场转化为磁能，并将磁能存储在电感中。而在断开状态下，由于电感的自感作用，磁场会产生电压，将电磁能转化为电能，并通过输出端向负载供电。因此，通过控制开关管的导通和断开状态，实现了电能在电容和电感之间的周期性转换和调节，最终输出稳定的直流电压。此外，BUCK电路中的电容起到平滑输出电压的作用，通过在开关管导通状态下储存电能，在断开状态下释放电能，平滑输出电压波动。同时，为了确保稳定输出电压，BUCK电路通常采用负反馈控制，通过对输出电压进行采样，反馈给微控制器，然后微控制器调节输出的PWM波的占空比，控制开关管的导通时间和断开时间，使得输出电压保持在预定范围内。1.2 BUCK电路工作原理BUCK电路的基本拓扑如下：BUCK电路的工作原理可以分为四个阶段：导通阶段：当开关管导通时，电感储存电能，电容充电。关断阶段：当开关管关闭时，电感和电容之间的能量被传递到负载上，此时电感中的电流仍然存在，它会继续流向负载。自由轮振荡阶段：在电感电流流向负载后，开关管关闭，此时电感中的电流无法立即消失，因此电感中的能量会反向传回开关管，驱动二极管导通，这个过程称为自由轮振荡。重复阶段：上述三个阶段重复进行，控制开关管导通的占空比可以通过PWM控制器调整，从而实现输出电压的稳定调节。BUCK电路输入电压与输出电压的数学关系式：Vout = Vin x D其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，D为开关管的占空比，即PWM波的高电平时间与周期之比。如果考虑到开关管的导通损耗和电感、电容等元件的等效电阻，还需要引入一个效率因子η，得到如下的修正关系式：Vout = Vin x D x η其中，η为效率因子，通常在0.8到0.95之间。需要注意的是，BUCK电路的输出电压通常不能高于输入电压，因为其基本工作原理是通过降压转换实现稳定的输出电压。因此，如果需要得到更高的输出电压，需要使用升压(BOOST)电路或者其他升压转换电路。1.3 BUCK电路应用场景和特点BUCK电路作为一种常见的降压电路，在电源领域有着广泛的应用。其主要应用场景包括：电子设备稳压电源：BUCK电路能够将高电压转换为低电压，从而为电子设备提供稳定的电源。例如，计算机主板、笔记本电脑、手机充电器等设备都会采用BUCK电路作为稳压电源。能量回收系统：在某些场景下，电路中会出现大量的电能消耗，例如电动机制动、光伏发电等。此时，BUCK电路可以将被消耗的电能进行回收，从而提高能源利用效率。LED驱动电路：由于LED的电压相对较低，因此需要将输入电压进行降压。此时，BUCK电路能够提供稳定的电源，并实现对LED亮度的控制。BUCK电路的特点主要包括：能效高：由于BUCK电路通过开关管进行脉冲调制，因此其能效通常比线性稳压电路更高。输出电压稳定：BUCK电路通过电感和电容的协同作用，能够保持输出电压的稳定性。可控性强：BUCK电路通过PWM控制，能够实现对输出电压的精确调节，从而满足不同应用场景的需求。成本低：相较于其他降压电路，BUCK电路所需要的元器件较少，因此成本相对较低。总的来说，BUCK电路具有广泛的应用场景和较好的性能，能够为电子设备提供稳定的电源，并提高能源利用效率。2. 驱动芯片IR21092.1 IR2109芯片简介IR2109是一款高和低侧驱动器芯片，可以驱动高侧和低侧开关管，被广泛应用于各种电源电路中。在BUCK电路中，IR2109通常用作驱动N沟MOSFET开关管，控制开关管的导通和断开，实现电源电压的降压转换。IR2109的主要作用是将微控制器输出的PWM控制信号转换为高电压、高电流的开关管驱动信号，确保开关管的准确导通和断开。它还具有短路保护、过温保护、欠压保护等多种保护功能，可以有效保护电路免受故障和异常情况的影响。IR2109在电源电路中的作用非常重要，它的性能和可靠性直接影响到整个电源电路的稳定性和可靠性。因此，在使用IR2109驱动芯片时，需要充分理解其功能和特点，并根据具体应用场景进行正确的设计和使用。2.2 IR2109芯片的功能特点IR2109是一款高速和高电流驱动芯片，适用于高效率、高功率的开关电源设计。其主要功能特点包括：高速驱动：IR2109采用高速MOSFET驱动器，可提供高达500V/ns的上升和下降时间，从而实现高速开关，提高开关电源的效率。高电流输出：IR2109的输出级可承受高达2A的峰值电流，能够稳定地驱动高功率MOSFET或IGBT。双路驱动：IR2109具有两个独立的输出通道，可同时驱动两个MOSFET或IGBT，实现高效率和高功率的开关电源设计。死区控制：IR2109具有内置的死区控制电路，可防止两个MOSFET或IGBT同时导通，避免电路失效和电源损坏。内置保护：IR2109具有过温保护、欠压锁定、过压锁定和过流保护等内置保护功能，可保护电源电路和IC本身不受损害。宽工作电压范围：IR2109的工作电压范围为10V至20V，可适应不同类型的开关电源设计。总之，IR2109作为一款高速、高电流、双路驱动的驱动器，具有内置的保护和死区控制功能，可为开关电源设计提供高效率、高功率和稳定性的驱动支持。2.3 IR2109芯片的引脚介绍电路图中的IR2109如下：IR2109引脚功能介绍如下：IN：PWM输入信号端，用于接收PWM信号。#SD: 用于关闭IR2109的驱动输出。当SD脚电压低于0.8V时，驱动输出关闭。VB: 逻辑供电电压，一般为5V。VCC: 高侧和低侧驱动电源的电压输入端，一般为12V。HO: 高侧驱动输出，输出高电平脉冲信号，用于驱动高侧开关管。LO: 低侧驱动输出，输出低电平脉冲信号，用于驱动低侧开关管。VS: 高侧开关管的源极，一般与VCC接在一起。COM: 低侧开关管的源极，一般与电源负极接在一起。2.4 IR2109芯片的工作原理IR2109可以用来控制开关管的导通时间和断开时间，从而实现电源电压的降压转换。IR2109的工作原理如下：控制信号输入：通过输入引脚IN和SD（Shutdown）来控制IR2109的工作状态。当IN输入高电平信号时，IR2109开始工作，输出低电平信号；当IN输入低电平信号时，IR2109停止工作，输出高电平信号。SD引脚用于控制IR2109的开关功能，当SD输入低电平信号时，IR2109停止工作，输出高电平信号；当SD输入高电平信号时，IR2109开始工作，输出低电平信号。PWM信号输出：IR2109通过HO和LO引脚输出PWM信号，控制开关管的导通时间和断开时间。当IN输入高电平信号时，IR2109的HO引脚输出PWM信号，使开关管导通；当IN输入低电平信号时，IR2109的LO引脚输出PWM信号，使开关管断开。同时，IR2109还具有一些保护功能，例如过温保护、欠压保护等，能够保证BUCK电路的安全可靠工作。驱动能力：IR2109具有高强度的驱动能力，能够输出高电平和低电平的脉冲信号，从而控制开关管的导通和断开，实现电源电压的降压转换。总之，IR2109作为高低侧驱动器，可以通过PWM信号控制开关管的导通和断开，实现BUCK电路中的电源电压降压转换。同时，IR2109还具有多种保护功能，能够保证BUCK电路的安全可靠工作。3. 基于IR2109驱动芯片的BUCK电路3.1 电路组成电路共由三个子电路组成：分别为输入滤波电路、PWM驱动电路和降压电路。三个子电路电路图如下：下面将分别详细介绍各子电路。3.2 输入滤波电路BUCK电路的输入端一般接收来自电源的直流电压，但是由于电源本身的特性以及线路的干扰等因素，输入电压可能会出现一些噪声和波动。因此，需要使用输入滤波电路来抑制这些干扰信号，保证BUCK电路的稳定性和可靠性。输入滤波电路主要由电感和电容组成。电感的作用是阻抗变化大，可以阻止高频信号通过，从而实现对高频噪声的抑制；而电容的作用是对低频信号进行滤波，从而实现对低频波动的抑制。这样，经过输入滤波电路处理后，输入电压就变得更加稳定，可以保证BUCK电路的正常工作。在具体的电路设计中，输入滤波电路的参数需要根据实际情况进行选择，例如电感的感值、电容的容值等，以达到最佳的滤波效果。同时，还需要考虑电路的占空比、负载情况等因素，从而确保整个BUCK电路的性能稳定和可靠。常见的电感值通常在几微亨到几百微亨之间，常用的电流值通常在几毫安到几十安之间。例如，在设计用于直流输入的BUCK电路时，通常会选择值为几十微亨到几百微亨的电感。对于输入电压较高的情况，可以选择具有高饱和电流和高磁通容量的磁芯材料来实现更高的电感值。而对于频率较高的情况，则需要选择具有更高自谐振频率的磁芯材料。对于电容，其容值通常在几百皮法到几毫法之间。当电容值较大时，可以有效地过滤低频噪声和直流分量，但也会增加电路的成本和尺寸。因此，在实际应用中，需要根据具体的设计要求和成本限制，选择适当的电感和电容参数来实现最佳的滤波效果。说明：根据我本人的需求和使用场景，我使用的输入滤波电路中没有加入电感元件，在噪声比较多的场景下，无法滤除所有高频噪声，因此，在实际设计中，电容和电感的组合可以根据具体的应用场景和要求进行选择。3.3 驱动电路驱动电路主要由IR2109芯片和外部元件组成。IR2109驱动芯片及其功能我们已经详细介绍过。下面主要详细介绍IRF3205MOS开关管。IRF3205是一款N沟道MOSFET晶体管，常用于高电压、大电流的开关电源、逆变器等应用中。在IR2109驱动下，IRF3205可用作BUCK电路中的开关管，用于控制电路中的开关操作，实现电压的降压转换。IRF3205的主要特点包括：高电压承受能力：可承受最高55V的电压；大电流承受能力：最大承受110A的电流；低导通电阻：在合适的工作条件下，其导通电阻可达到最小值，从而减小能量损耗，提高电路效率；高开关速度：能够快速地切换开关状态，从而减小开关过程中的能量损耗，提高电路效率。在IR2109驱动下，IR3205 MOSFET管的上升时间和下降时间通常在10纳秒至20纳秒的范围内，具体取决于电路中的电容和电感等元件的参数。可靠性高：IRF3205 MOS管采用了先进的工艺和材料，具有较高的可靠性和稳定性，可以在较宽的温度范围内正常工作。在BUCK电路中，IRF3205开关管工作原理如下：当IR2109输出高电平时，IRF3205的栅极电压为高电平，MOS管处于导通状态，电流通过电感和MOS管流向负载；当IR2109输出低电平时，IRF3205的栅极电压为低电平，MOS管处于截止状态，电感中的电流通过二极管D1回流，以防止电感中的能量瞬间消失；在下一周期中，IR2109再次输出高电平，IRF3205又重新进入导通状态，上述过程不断重复，从而实现电压降压转换。需要注意的是，在设计BUCK电路时，需根据电路的实际需求选择合适的IRF3205型号和参数，以保证电路的正常运行。3.4 降压电路降压电路是BUCK电路的核心。输入滤波电路和驱动电路实际上是给降压电路的输入电压和输入PWM进行优化。下面介绍降压电路中电容和电感的选择。在设计BUCK电路时，需要根据输入电压、输出电压、负载电流等因素来选择电容和电感的参数。以下是一些常见的选择方法：选择电感： 电感的作用是储存电能，使得在切换过程中电流平稳变化。选择电感时，可以根据电路输出电流和电感的电感值计算出电感的最小值：Lmin = (Vout × (1 - D) × ton) / ΔI其中，Vout为输出电压，D为占空比，ton为开关时间，ΔI为电感电流波动范围。一般情况下，ΔI可以选择输出电流的5%-20%左右。选择电容： 电容的作用是平滑输出电压，降低输出电压的纹波。选择电容时，可以根据负载电流和输出电压纹波系数计算出电容的最小值：Cmin = Iout × (ΔV / Vout) × (1 - D) × T / ΔV其中，Iout为负载电流，ΔV为输出电压纹波幅度，T为开关周期。通常情况下，输出电压纹波系数可以选取在1%-5%之间。需要注意的是，在实际设计中，还需要考虑电感的DC电阻、电容的ESR等因素对电路性能的影响，以及选用合适的材料和封装形式。同时，为了保证稳定性和可靠性，还需要进行必要的实验和测试。4. 总结基于IR2109驱动芯片的BUCK电路是一种常见的DC-DC转换器，具有高效率、稳定性好等优点，在各种电子设备中广泛应用。该电路的工作原理是通过开关管周期性地将输入电压转换为矩形脉冲信号，并经过电感滤波形成平稳的输出电压。IR2109芯片作为驱动器，可以控制开关管的导通和截止，使电路输出电压稳定。在设计BUCK电路时，需要根据实际应用场景选择合适的输入滤波电路、输出电容和电感等元器件，并根据输入电压、输出电压和负载电流等参数计算合适的元器件参数。常用的MOS管有IRF3205等，其导通和截止速度快，能够有效地控制电路开关时间，提高电路效率。同时，需要注意MOS管的导通电阻和耗散功率，避免过度加热损坏器件。总之，基于IR2109驱动芯片的BUCK电路具有较高的性能和可靠性，可以广泛应用于各种电子设备中。在设计和使用过程中，需要注意选用合适的元器件和控制参数，确保电路的正常运行和安全性。}