细说Buck降压电路，同步和非同步的波形长啥样？

01【Buck电路原理图】

Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路，输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的，输出电流为连续的。如图5.1所示，Buck电路使用开关管Q1将输入的直流电源进行“斩波”，形成方波。利用一个方波控制开关管，让开关管按照控制信号进行通断。调节方波的占空比，控制通过的能量。再对通过开关管的方波进行低通滤波，让直流电压输出。

图5.1     非同步Buck变换器基本电路其实我们在实际设计过程中，图5.1的电路越来越少被使用。这种Buck电路被称为非同步。同步和非同步的区别从外部来看，是一个多了一个有续流的二极管，一个没有续流的二极管。其实Buck的输出电流分成两个部分的，一个部分是来自电源，一个部分是来自非同步电路中的这个二极管，如图5.1所示D1，只是同步电路把这个二极管用一个MOSFET给替代了，这个MOSFET被称为“下管”，如图5.2所示，图中的Q2替代了D1。但是这个“下管”的开和关需要和开关MOSFET（上管）保持一定的相位关系，大家习惯把这样的关系叫做同步模式。图5.2     同步Buck变换器基本电路非同步Buck电路，二极管续流（二极管与电感形成一个通路，二极管为电感保持电流持续，电流从二极管通过）期间，二极管两端的电压相对恒定，表现为二极管正向导通压降。这个特性导致非同步压降电路在二极管上消耗的能量比较大，所以非同步Buck的效率比较低。因为其电路特点不需要复杂的控制，控制器成本也比较低。同步Buck电路，采用MOSFET，下管续流的期间（上管关闭，下管打开，下管为电感保持电流持续，电流从下管通过），MOSFET表现为D极和S极之间的导通等效阻抗。由于下管的导通阻抗比较小，所以其两端的电压也比较小，消耗在下管上的损耗比二极管也小很多。所以同步Buck电路的效率比较高，相比来说需要额外的控制电路，成本相对也高一些。但是随着芯片的技术发展，同步Buck电路的优势越来越大，所以一般都选择同步Buck，规模效应带来的成本优势逐步明显。02【Buck电路工作原理】

基本工作原理分析

在同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为高电平，上管导通，开关管Q2驱动为低电平，下管关闭，储能电感L1被充磁（充磁的压差为Vin-Vout），流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载RL提供能量，电路如图5.3所示。图5.3 同步Buck上管导通下管关闭非同步Buck电路中，在上管导通时，二极管反向截止，没有正向电流，等同于关断状态。储能电感L1被充磁（充磁的压差为Vin-Vout），流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载RL提供能量，如图5.4所示。图5.4非同步Buck上管导通在同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为低电平，上管关断，开关管Q2驱动为高电平，下管导通，储能电感L1通过下管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，电路如图5.5所示。图5.5同步Buck上管关闭下管导通在非同步Buck电路中，当开关管Q1驱动为低电平，上管关断，二极管处于正向导通的状态，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，电路如图5.6所示。图5.6非同步Buck上管关闭二极管续流（下MOS更换为二极管）在同步Buck电路中，最理想的状态是上管关闭的一瞬间，下管打开；下管关闭的一瞬间，上管打开。如果能严丝合缝，没有一点点时间差，则上面两个状态就足以把同步Buck电路工作起来了。但是MOSFET不是理想的开关特性，它在关断到导通的过程中存在一个过渡的过程就是一个放大区，介于完全关断和完全导通之间的一个状态。另外控制时序也是不理想的，不可能做到“严丝合缝”。也就是说，两个驱动器在时间上是非常难控制到精确的同步。我们有一个状态是必须要避免的，就是上管和下管同时打开。此时，Vin通过两个打开的MOSFET直连到GND，形成了短路。这种直通的现象，即会损坏MOSFET，也会导致Vin短路而损坏前一级供电电源，如图5.7所示。图5.7同步Buck不应该出现的状态“直通”为了避免这种直通的现象，电源控制器在设计的时候，会故意让上管和下管切换的时候，多等一会。宁愿出现两个管子同时关断的状态，也不愿意出现两个管子同时导通的状态。如图5.8所示，UGATE是上管的控制信号，LGATE是下管的控制信号。第一个状态是下管导通，上管关闭，需要切换状态的时候，先关闭下管（两个控制信号都为低电平）。下管关闭的过程需要一个时间t_FL，关闭的过程上管保持关断。两个开关管都处于一个关闭的状态，此时至少没有短路的风险。图5.8同步Buck的控制时序等待一段时间（t_LGFUGR）之后再打开上管，这个等待的过程，就叫做“死区时间”。那么这个过程，电感的一端似乎就悬空了，没有电流回路了，其实不然。在“死区时间”的这个时间段内，下管二极管虽然没有被导通，但是他本身有一个寄生的二极管。这个二极管可以像非同步Buck电路一样帮助电感续流，如图5.9所示。但是这个时间非常短暂，所以产生的功耗没有那么大。图5.9同步Buck死区时间电流路径同样的过程发生在上管关闭后，需要等待一个时间（t_UGFUGR），然后再打开下管，如图5.7所示。03【两种电路的各个环节的波形】
Buck电路虽然是我们日常工作中经常用到的电路，因为其构造有多种情况，各个厂家有一些自己定义的命名，导致很多工程师理解上会有差异和错误。如前文所述，Buck电路分为同步Buck控制器和非同步Buck控制器，我们分别看下两种电路的各个环节的波形。

①非同步Buck电路

完整的非同步Buck电路如图5.10所示。

图5.10 非同步Buck典型电路

注意图中，字母标识位置。

我们先看功率路径（能量传递路径）的波形。首先输入的是一个直流电压Vin，电压稍微高一些，例如直流12V、24V、48V等等。最终输出的电压也是一个直流电压Vout，是我们最终生成的供电电压，例如直流5V、3.3V等。

开关管MOSFET在图中为Q1， Vin接在开关管的一端，波形如图5.10(a)所示。通过Q1导通和关断，在Phase点产生方波电压, 波形如图5.10(b)所示。控制开关管的控制信号保持周期值不变，通过调整占空比，控制通过Q1的导通时间Ton，通过控制导通时间控制高压的时间，来调整输出的能量。Q1导通时，Phase点电压为Vin（Q1导通时，理想状态我们可以认为Q1完全导通电阻为0），电感两端的电压分别为Vin和Vout，电流通过串接电感L1流入输出端。

Q1关断时，二极管参与电流回路，与电感串联，通过功率电流，为输出供电。电感L1会保持原来的电流方向，并且试图保持原来大小，成为了一个能量提供的器件，瞬间形成了一个反向电动势。电感右边的电压仍然是输出电压，电感的左边会从Vin瞬间变成一个负压。二极管从截止状态，变成正向导通状态，二极管的正端为0V（GND），它因为有正向导通压降，其负端的电压是一个负压。此时Phase点的电压也就变成了一个负压。

结合Q1开关的过程，我们可以发现Q1的Phase点电压波形是一个矩形波。

采样电阻R1和R2检测输出电压Vout，如图5.10（c），两个电阻分压后输出一个电压如图5.10（d）所示，并将其输入误差放大器（EA）与参考电压Vref进行比较，如图5.10（e）。被放大误差电压Vea被输入到脉冲调制器（电压比较器）中。这个比较器的另一个输入是周期为T的锯齿波如图5.10(f)所示，图中的案例为幅值3V。PWM电压比较器产生的矩形脉冲波。听从锯齿波的起点开始到锯齿波与误差放大器输出电压交点结束。因此PWM输出的脉冲宽度Ton与误差放大器EA输出的电压成正比，如图5.10(g)所示。

PWM脉冲输入到电流放大器（驱动器）并以负反馈方式控制开关管Q1的通断。