只要是學過《電力電子技術》這門課程，接觸過一個名叫“Buck電路”的電力電子拓撲結構，如下圖所示。

圖1 Buck主電路拓撲

這是一個輸入輸出均為直流(DC-DC)的電路變換結構，一般輸入電壓高于輸出電壓，因此稱其為降壓DC-DC轉換電路，即Buck電路。它的組成相對簡單，主要由一個MOSFET、一個功率電感、一個二極管以及輸入輸出組成。其中MOSFET的主要作用是控制輸入到輸出的通斷從而切換電路的工作模態，電感則主要是在不同的工作模態下分別起到儲存能量和釋放能量的作用，二極管主要是以續流為主。此外，我們發現輸入和輸出端還各有一個電容。輸入電容的主要作用是抑制紋波電流和穩定輸入電壓，buck轉換器會產生較高的脈沖紋波電壓(di/dt)，如果沒有輸入電容，該紋波將會直接傳導到電源輸入端。輸出電容的主要作用由兩個：一個是濾波，較小輸出紋波；二是儲能穩定輸出端電壓，尤其是重載的時候如果缺少輸出電容，環路會由于無法提供足夠的電流失鎖，導致輸出電壓為0。

簡單介紹下Buck電路的工作原理：主要是通過控制MOSFET的通斷來控制電路的工作模態的持續以及周期性切換從而達到穩定降壓輸出的目的。下面分模態簡要分析：

圖2 Buck電路不同工作模態下的回路示意

當MOSFET導通時，電路工作在模態1。電路中的二極管承受反壓處于截止狀態，輸入端通過電感和輸出端組成回路，見圖2中的藍色回路線條。此時輸入端同時給電感充電和給負載供電。電感電流接近線性增加，從而是一個儲存能量的過程。

當MOSFET關斷時，電路工作在模態2。此時輸入供電回路被切斷，電感開始作為電源釋放能量，此時二極管可作為電感放電回路的續流通道，見圖2中的紅色回路線條。電感電流接近線性減小，是一個釋放能量的過程。

在電路參數合理的情況下，按照一定頻率周期性開通和關斷MOSFET，便可實現穩定的降壓輸出。這里開通時間和開關周期的比值稱為占空比D，開關周期的倒數稱為開關頻率f，D和f主要影響的是輸出電壓的大小以及輸出紋波大小和效率等等。

提到效率，這里需要介紹Buck電路的另外一副“面孔”，如圖3所示，我們右邊的電路相對于左邊有一個明顯的區域，那就是把續流二極管換成了MOSFET。事實上，這兩種電路都是非常常見的Buck電路結構，左邊一般稱為“異步Buck",而右邊稱為”同步Buck"。

圖3 異步Buck與同步Buck

對于一開始介紹到的異步Buck,簡單分析會發現，當MOSFET-Q1關斷時，電感放電電流會流經二極管，由于二極管一般會有一定的導通壓降，會導致有部分能量會消耗在二極管中從而拉低電路的能量轉移效率。如果把這里的二極管換成可控的MOSFET，不僅可以靈活的自主控制通斷，也由于MOSFET的導通電阻比較小可以將原來消耗在二極管的能量大大較少，從而可以提高效率。

這里以同步Buck為例可以從電路原理的角度簡要分析一下Buck工作時滿足的物理和數量關系。

圖4 同步Buck工作于模態1時的公式推導

圖5 同步Buck工作于模態2時的公式推導

周期性穩定工作的電感是滿足伏秒特性原則的，即一個周期內的電感電流總的變化量為0，或者可以理解為其上升階段的電流變化量和下降階段的電流變化量相等。因此可以得到輸出電壓與輸入電壓以及占空比之間滿足的定量關系，即Vout=D*Vin。

以上是關于Buck電路的拓撲介紹以及工作過程的淺要分析。

審核編輯：湯梓紅