在之前的文章 DCDC 降壓芯片基本原理及選型主要參數(shù)介紹中已經(jīng)大致講解了 dcdc 降壓電路的工作原理，今天再結(jié)合仿真將 buck 電路工作過程講一講。

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上圖為 buck 電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)打到 1，電感充電；開關(guān)打到 0，電感放電。通常認(rèn)為電感和電容都是儲能元件，但是電感的充放電是有能量形式的轉(zhuǎn)換的，充電時電場 → 磁場，放電時磁場 → 電場。

接下來，我們結(jié)合仿真來看看 buck 電路的具體工作過程。

原理圖

在 kicad 中建立仿真原理圖：

原理圖

V2 是直流電壓源；Q1 是 PMOS；Q2 是 NMOS；V1 是脈沖電壓源，用它來做 PWM 控制信號；C1 是輸入電容；C2 是輸出電容；L1 是儲能電感；R1 是負(fù)載電阻。

從圖中可以看到，我們將 PWM 頻率設(shè)置為 1MHz，以便使用更小的電感進(jìn)行仿真。

仿真工作過程

1. 啟動

我們先進(jìn)行 10us 的瞬態(tài)仿真，看下前 10 個周期的波形：

10us波形

紅線是 PWM 波形，當(dāng) PWM 為低電平時，Q1 開啟，Q2 關(guān)閉，電感 L1 充電，可以看到，隨著輸出電容 C2 電壓的升高，L1 的充電電流在變緩，其斜率為：

VC1為輸入電壓，5V，不變； VC2為輸出電壓，在不斷上升，所以 L1 的充電電流斜率在減小。

當(dāng) PWM 為高電平時，Q1 關(guān)閉，Q2 開啟，電感 L1 放電，放電電流斜率為：

所以隨著 C2 電壓的升高，電感放電電流斜率在增大。

而在這 10 個周期中，電感電流幾乎都流向 C2，給 C2 充電。

2. 100 個周期

把時間增大到 100us，即 100 個周期：

100us波形

為了讓負(fù)載電阻的電流更加明顯，已經(jīng)將 R1 從 500Ω 變?yōu)?5Ω。

出現(xiàn)振蕩波形了，輸出電壓在衰減振蕩，這主要是因?yàn)闆]有反饋環(huán)路進(jìn)行控制，并且仿真的電路是同步整流，Q2 是雙向?qū)ǖ摹５强梢钥吹捷敵鲭妷汉拓?fù)載電流都是衰減振蕩，可以合理想象，仿真時間繼續(xù)延長，它們一定會趨于一個固定值，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

我們先把 Q2 換成二極管來試一下：

Q2換成二極管

Q2換成二極管100us

果然不再振蕩了，當(dāng)電感電流降到接近 0 時，不會再反向，而是再次逐漸充電。

但這不是我們想要的結(jié)果，我們繼續(xù)在前面的原理圖上想辦法。仿真原理圖中，L1 是一個近似理想電感，我們可以加一個電阻來增大阻尼：

增加阻尼

增加阻尼100us

這樣輸出電壓就會快速收斂。但是這個串聯(lián)電阻設(shè)為 1Ω，跟負(fù)載電阻的 5Ω 已經(jīng)是同一數(shù)量級，從仿真結(jié)果上也可以看到，這時輸出電壓趨于 2.5V，其實(shí)就是 5 × 60% × 5 ÷ （1 + 5）= 2.5V。實(shí)際上，DCDC 降壓芯片基本原理及選型主要參數(shù)介紹這篇文章中的設(shè)計(jì)實(shí)例，使用的電感 ESR 在 150mΩ 到 200mΩ。

3. 穩(wěn)態(tài)

將電感串聯(lián)電阻 R2 設(shè)為 100mΩ，仿真 500us：

100mΩ 500us

差不多在 300us，輸出電壓和負(fù)載電流不再變化。我們推導(dǎo)下輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系：

設(shè)輸入電壓為Vi ，輸出電壓為 Vo，

當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時：

穩(wěn)態(tài)

假設(shè)電感充放電過程沒有損耗，設(shè)充電時間為 ，即上圖中電感電流上升的時間t1；放電時間為t2 ，即上圖中電感電流下降時間，則由能量守恒：

在穩(wěn)態(tài)時，電感充電平均電流與放電平均電流相等，則有：

這就是電感的伏秒積守恒，進(jìn)而可得：

其實(shí)從上面的電感電流波形出發(fā)，也不難推導(dǎo)出上式。

dcdc 降壓芯片中，通過給 PWM 控制器引入反饋實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸出負(fù)載或輸入電壓變化時能夠保持輸出電壓穩(wěn)定不變，反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)是控制器的核心。