Buck变换器是如何演变过来的？

银葫芦

Buck经过几十年的发展由最初的线性电源低效率、大体积到目前的高频、小体积和高效率。下面将介绍三种最基本的拓扑之一Buck变换器是如何演变过来的。学过电子的应该都知道，如何从一个电压(高)得到自己想要的电压值(低)，可能最简单的方式就是通过电阻分压，如下面的方式。


这种方式最方便快捷，现在一般的电压采样基本采用这种方式，但是如果功率稍微大一点呢？由于R1和R2是串联的，所以在R1上的损耗不可忽视，如果所要的电压值远低于输入电压，那么该电路的效率就会极其低下。对该电路尝试进行变形，将R1更换为三极管，也就是现在的LDO模型，如下：


通过变型，那么原来在R1上的损耗转移到三极管Q1上面去了，由于Q1承受输入和输出的压差，所以该电路的效率也比较低下。为了提升效率，之前三极管是工作在线性状态，是否可以更改为开关状态呢？这样三极管就只有开关损耗和导通损耗，那么损耗就会大大的降低。可以更改为如下电路：


该电路工作周期时间为Ts，导通时间为Ton，那么占空比就是D=Ton/Ts，但是这样输出电压与开关状态高度关联，S1导通时有输出电压，S1关断时没有输出电压，但是输出负载总是需要连续的能量供给，这对于输出端负载是不可接受的。这就需要进行解耦，在变换器一定位置引入储能元器件电容，这样在即使在输入端S1断开的情况下，输出端电容也可以进行持续的能量输出，保证输出电压的稳定。


如果这样做，大家有没有看出会带来什么样的效果？由于电容两端的电压不能突变，当S1闭合的时候，那么会在线路中产生一个非常大的冲击电流，它不仅导致噪声和EMI问题，这个时候S1可能会被损坏。所以需要对其进行限流，如下：


加入R2限流电阻后，在S1闭合瞬间就没有那么大的冲击电流了，但是由于R2是串联在主功率回路中，电阻就会消耗功率，这样，在开关上减小的功耗最终可能又消耗在所加的电阻上。因此，为了最大限度的提高效率，可以将R2变换为电抗元件，从原理上来说，电抗原件仅存储能量不消耗能量，大家知道，电感两端的电流不能突变，所以在开关S1闭合的时候，电感可以很好的抑制冲击电流而不消耗能量。如下：


这样解决了S1闭合时由于C1的作用引起的浪涌冲击电流，但是当S1断开的时候呢？刚才有提到，电感两端的电流不能突变，当S1突然断开，就相当于电感的电流产生了突变，由于没有续流的回路，那么电感存储的能量就会以“拉弧”的方式消耗，这样就会产生一个非常大的电压尖峰。所以，为了给电感L1提供一个续流路径，需要增加一个续流二极管，如下：


这样，当S1突然断开，L1的能量就会通过二极管进行续流，所以我们也叫续流二极管。当然，为了提升效率，可以将续流二极管更换为MOSFET，如下：


这样一个同步Buck变换器就产生了。可以将电感在不同的位置放置变换为不同的拓扑结构，放在输入端就是Boost变换器，放在下面就是Buck-boost变换器。所以，基本的变换器其实就只有这三种，其他很多拓扑结构都是这三种基本变换器的演变。比如正激就是Buck的隔离版本，反激就是Buck-boost的隔离版本。
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