08-BUCK电路学习_1

学习内容：

1.核心原理：Buck 电路通过 PWM 控制开关管通断，配合电感储能续流与电容滤波，实现将输入直流电压稳定降压输出。

2.工程问题：学习器件选型、噪声抑制、PCB 优化等工作，解决啸叫、纹波等问题，为落地可靠的降压电源项目做铺垫。

1.Buck电路原理

1.1 拓扑结构

这是一个典型的Buck（降压）DC-DC变换电路，核心功能是将输入直流电压降低为稳定的输出直流电压，通过高频 PWM 控制实现高效降压变换。

为输入电源：提供直流输入电压Vin​，是整个电路的能量来源。

为PWM 信号源：输出高频方波信号，控制开关管的导通 / 关断，决定占空比 D，从而决定输出电压大小：Vout≈D×Vin

为开关管：这是主功率开关管（通常为 MOSFET 或 IGBT），受PWM信号控制。

导通时：输入电压向电感 L 储能，电流从 Vin 流向电感。

关断时：电感通过续流回路释放能量，维持输出电流。

为电感 L：核心储能元件，利用 “电流不能突变” 的特性平滑电流：

开关管导通时：电感储存磁能，电流线性上升。

开关管关断时：电感释放磁能，维持输出电流连续，避免输出电压剧烈波动。

为续流/同步整流模块：为电感提供续流通路，在开关管关断时维持电流

为输出电容 Cout：滤波储能元件，平滑输出电压纹波：

吸收电感电流波动，使输出电压更平稳。在负载突变时提供瞬时电流，维持电压稳定。

为负载电阻 Rload：模拟电路的用电负载，消耗输出功率，体现电路带载能力。

为电压测量模块：实时测量输出电压 Vout，用于观察稳压效果、纹波大小等。

1.2 工作原理

1.导通阶段（PWM = 高电平）：开关管导通 → 输入电压 Vin 加在电感两端 → 电感电流线性上升，同时向输出电容和负载供电。

2.关断阶段（PWM = 低电平）：开关管关断 → 电感通过续流模块续流 → 电感电流线性下降，继续向输出电容和负载供电。

3.稳态输出：高频开关动作使电感电流在“上升-下降”间波动，经输出电容滤波后，得到稳定的直流输出电压，且 Vout<Vin。

1.3 一句话总结流程

PWM 控制开关管通断→电感“充磁 - 放磁”（储能续流） → 输出电容（滤波平滑） → 得到稳定低压直流输出，这就是 Buck 电路的核心逻辑。

1.4 仿真波形

输入100V、占空比50%、开关频率10kHz的Buck降压仿真，理论输出电压为50V，仿真将验证电感储能续流和电容滤波的降压效果。

这次 Buck 电路仿真验证成功：

1.理论公式 Vout=D×Vin 得到了仿真结果的直接印证。

2.电路实现了将 100V 输入稳定降压到 50V 输出的功能，稳压效果优秀。

2.Buck公式汇总

2.1公式目的

我们运用公式，是为了选型，选择输入滤波电容，输出滤波电容，功率电感。那么先把已知条件列出来首先是输入电压Vi，输出电压Vo，输出电流Vo/R。其次是开关频率f，这个在芯片选型之后就是确定的了。再然后就是设计的目标，输入纹波大小△Vi，输出纹波大小△Vo。

2.2 buck电路公式汇总

2.3 实际电路应用情况

在 Buck 电路实际设计中，理想器件公式无法直接用于精确选型—— 真实开关管存在导通压降与开关损耗、电感存在直流电阻与饱和特性、电容存在等效串联电阻（ESR），这些非理想因素都会让理论计算值出现偏差。

不过，这些基础公式依然具备重要的指导价值：它们能帮我们快速预判电压、电流的量级与变化趋势，为器件选型划定大致范围；在设计初期通过理论计算建立认知框架，后续再结合器件手册与仿真迭代修正，最终得到可靠的工程方案。

3.Buck电路中功率电感的选型

3.1电感值要求

举个“栗子”：假定BUCK的输入是10V输出是5V，负载是2A的电流需求，开关频率在2Khz，那么求电感值。

电感感值：推荐取值范围 1.66mH ~ 3.33mH，工程可选2.2mH。

3.2饱和电流Isat

举个“栗子”：假定BUCK的输入是10V输出是5V，负载是2A的电流需求，开关频率在2Khz，那么求电感值及其Isat参数。

3.3 自谐振频率

实际电感具有直流电阻和寄生电容，在低频处呈现感性,在高频处呈现容性。这个转折频率就是电感的自谐振频率，如下图所示，我们需要让电感的自谐振频率避开它的工作频率，通常而言这个自谐振频率要远高于开关频率，一般可以以10倍频率作为参考，也就是说开关频率要低于谐振频率的10%。

3.4 直流电阻DCR

直流电阻最主要的就是影响BUCK电路的效率，大的DCR会引起热损，尤其是在重载情况下，对于DCR具体的选择没有特殊要求，基本是越小越好。

4.Buck电源啸叫

4.1啸叫的本质原因

1.压电效应与磁致伸缩：

MLCC电容：陶瓷介质在电场变化时发生机械形变（逆压电效应），当开关频率谐波落入音频范围（20Hz~20kHz）时产生振动噪音。

电感：线圈在电流变化时因磁致伸缩或机械松动产生振动，尤其轻载时脉冲频率可能进入人耳敏感区间。

2.开关频率与音频范围重叠：

部分BUCK芯片在轻载时自动切换为PFM模式（脉冲间歇模式），其低频脉冲（如kHz级）易引发啸叫。

例如MC34063等老款芯片的固定开关频率约33kHz，接近人耳上限。

4.2换电感无效的深层原因

若更换电感仍无法解决，需排查以下非电感本身的问题：

1.环路稳定性失控：恒压恒流控制环路中运放未采用PI结构（比例积分），导致占空比剧烈跳变。补偿电容/电阻取值不当（如反馈路径误用47pF电容造成延迟）反馈环路补偿不足（如相位裕度<45°）导致输出振荡，表现为电感/电容啸叫。

2.PCB布局与噪声干扰：

关键回路面积过大：开关回路（芯片→电感→电容→地）未最小化，寄生电感引发电压尖峰和振荡

地平面分割不当：功率地与信号地混合，导致反馈信号受干扰

3.工作模式异常：

负载突变：负载在轻/重载间反复切换，引发PWM/PFM模式振荡，啸叫频率随之变化。

过流保护触发：电感饱和电流不足（如标称12A电感实际2A即饱和），触发芯片“打嗝保护”，周期性啸叫

4.电容选型与布局：输出电容ESR过高或未使用低啸叫MLCC（如村田KRM系列）电容平行排列加剧振动叠加，未采用交错布局或挖槽减振

4.3 系统性解决方案

1. 优化环路稳定性

2. 改进PCB设计

最小化开关回路：将输入电容、芯片、电感、续流二极管置于紧凑区域，用地平面包围。

独立地平面：功率地与信号地单点连接，反馈走线远离噪声源。

电容布局：MLCC采用45°交错排列，或边缘挖槽打断振动传递。

3. 元件选型与参数调

4. 辅助电路设计

RC吸收电路：在电感引脚添加0.5Ω电阻串联4.7nF电容到地，抑制尖峰。

多相交错供电：多相BUCK降低纹波振幅，减少振动能量。

4.4 诊断流程

若问题仍未解决，按以下步骤排查：

1.测试开关波形：用示波器检测SW节点波形，确认振荡频率是否落入音频范围（如2-20kHz）。

2.环路稳定性验证：断开负载，观察空载是否啸叫；逐步增加负载，记录啸叫起始点。

3.热成像检测：定位发热元件（如电感DCR过高或电容ESR过大）。

4.灌胶实验：电感浸漆或灌胶，若啸叫减弱则为机械振动问题。

5.输出电压纹波来源和抑制

5.1.输出电压纹波来源

由于寄生参数的影响，实际Buck电路的输出电压并非是稳定干净的直流电压，而是在直流电压上叠加了输出电压纹波和噪声，如图1所示。

图1 Buck 输出电压纹波和噪声

实际输出电压纹波由电感电流与输出阻抗决定，由三部分组成，如图2所示。

1.电感电流纹波通过输出电容的寄生电阻ESR形成的压降；

2.输出电容的充放电；

3.寄生电感引起的电压突变；

图2 输出电压纹波的组成

5.2 输出电压纹波的测量

在测量输出电压纹波时，要注意如下几点，正确方式如图3所示。

1.保证接地环路尽可能小，建议使用接地环；

2.探头应靠近电容两侧；

3.避免同时使用示波器其他通道测试其他点位的波形；

4.如果只关注开关频率分量纹波，建议打开示波器带宽限制20MHz；

如图4所示，左侧波形同时测量开关节点和输出电压纹波，带宽限制关闭。可以看到，输出电压纹波中的噪声较大，影响纹波的测量。

图3 输出电压纹波测试方式

图4 输出电压纹波测试对比

5.3 输出电压纹波的抑制

由以上分析可知，输出电压纹波由电感纹波电流和输出电容阻抗决定（式1）

因此，要降低输出电压纹波可以通过降低电感电流纹波或者降低输出电容阻抗。当输入输出电压和负载一定时，电感电流的纹波跟开关频率和电感量成反比。减小电感量或者开关频率可以有效降低输出电压的纹波，但开关频率和电感往往受到电路效率和体积等的限制。

当开关频率和电感值一定时，抑制纹波电压最有效的方式是减小输出电容在开关频率处的输出阻抗。在实际应用场景中，通常会并联多种不同的输出电容来获得足够的容量并降低输出电压纹波，如图5所示。由式(2)-(5)可以计算得到输出电容的总阻抗以及等效的电阻和电容。若已知Buck电路的开关频率，通过式(3)可得到开关频率处的阻抗，也就可以得到输出电压纹波。

图5多个输出电容并联

若选择合适的电容仍然无法满足纹波的要求，可以增加第二级LC滤波器来进一步降低输出电压纹波，如图6所示。

图6 Buck 电路第二级LC滤波器

综上所述，理解输出电压纹波的形成原理，根据实际应用要求，针对性地优化电感值、开关频率以及输出电容，可有效降低输出电压纹波，满足应用需求。

6.Buck电路布局注意事项

6.1 功率回路

如图1(a)和1(b)分别是上管开通和关断时的电流回路，即我们通常说的功率回路部分。这部分电路负责给用户负载供电，承受的功率较大。

图1(c)

结合上管和下管，即Q1、Q2的电流波形（图1(c)），不难发现，只有在两个开关管的部分会出现高电流转换速率。由于PWM信号处电压的快速变化，SW点会产生较强的噪声。所以我们在PCB布线时需要特别注意，尽可能减小这一快速变化环节的面积来减少对其他部分的干扰。

6.2 功率回路的PCB布局

对于一个常见的Buck芯片，其电感充电功率回路中包含输入电容，集成在芯片内部的上管MOSFET，功率电感以及输出电容等器件。而电感放电功率回路中则包含功率电感、输出电容和集成在芯片内部的下管MOSFET等。

图2(a)电感充电功率回路

图2(b)电感放电功率回路

在进行PCB布线时，这两个功率回路走线要尽可能的短粗，在保证通流能力的情况下保持较小的环路面积，这样可以减少对外辐射的噪声。

1.输入电容：需就近放在芯片的输入Vin和功率地PGND，来减少寄生电感的存在。VIN管脚旁边至少要有1个去耦电容，距离最好小于40mil，用来滤除来自电源输入端的交流噪声和来自芯片内部（倒灌）的电源噪声。

2.SW点：是开关节点，为噪声源，所以应在保证电流的同时保持尽量小的面积，远离易受干扰的信号走线。另外需要注意的是，对于大电流应用的Buck电路，尽量不要在SW处打过孔，避免把噪声带到其他层去。

3.输出电容：与输入电容相似，输出电容需要就近放在电感的输出VOUT和功率地PGND，PGND与输出电容最短连接并铺整铜，以保证功率回路最小。

4.铺铜面积与过孔数量：这两者会影响到PCB的通流和散热能力。一般需要在VIN，Vout和GND处多打过孔，这两处的铺铜也应最大化来达到减小寄生阻抗的目的，SW处的铺铜也不能过小，以免出现限流的情况。

6.3 逻辑电路的PCB布局

在Buck电路中，一般需要注意以下几个逻辑环节：自举电容、反馈电路、VCC和单点接地。

1.自举电容：中高压Buck芯片内部集成的上管一般都为NMOS，故需要BST自举电路。在电感放电期间，通过对自举电容进行充电，在BST管脚处就会产生一个高于SW的电压，在电感充电期间驱动上管。故BST与SW一样，也是一个电压高速跳变的点，会辐射出较强的噪音。自举电容也要放置在尽可能靠近BST和SW的位置，避免对其他信号的影响，布线时宽度一般在20mil即可。

2.反馈电路：一般包括FB上下分压电阻和前馈电容。由于FB点的电压很低，普遍在0.6-0.8V左右，极易与噪声或纹波混淆，是芯片最敏感，最容易受干扰的部分。所以在布线时，上下分压电阻和前馈电容都尽量靠近芯片摆放来减少噪声的耦合，FB电阻连接到FB管脚的走线要尽可能地短来减小寄生电感以及阻抗。同时，需要注意FB连接到Vo的走线可以通过过孔设置在其他层，但也要尽可能远离噪声源，如SW、BST、电感等。

3.VCC电容：VCC为芯片逻辑电路供电，是芯片内部LDO的输出。VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和GND管脚之间，起到稳压的作用。并且电容与芯片尽量在一层，不打过孔。

4.单点接地：输出电流较大的芯片，他们的地一般会被区分为PGND和AGND，PGND就是功率地，AGND就是我们一般所指的信号地。为了避免整块的功率地影响到较为敏感的信号地，建议将AGND和PGND单点连接，通过一个0ohm电阻连接也可以。

这是因为尽管PGND的大块铺铜可以起到吸收输入端电源噪音的作用，但是在输出电流较大的情况下，其辐射出的噪音依旧会对敏感的逻辑电路造成影响。单点连接的布线方式可以为我们的逻辑电路提供一个相对“干净”的地。

以上，就是在画Buck电路PCB时需要着重注意的地方。当画PCB无从下手时，也可以先打开芯片的规格书，查看demo板的PCB layout或是相关的指导。

6.4 PCB“健康体检表”

最后，为了方便了解自己画的PCB是否合理，可以参考以下PCB“健康体检表”做一个自评：