Buck型DCDC作为一种典型的电压转换电路，在电路设计中频繁出现。Buck型DC-DC电路（降压变换器）是一种通过高频开关控制实现直流电压降压转换的电源拓扑，其核心原理基于电感储能和伏秒平衡定律。
本文将从电路工作原理、器件选型、layout等方面对buck型DCDC电路进行详细的讲解。
下图为buck电路的基本拓扑
一、核心元器件包括：
1. 开关管（MOSFET）S1：高频通断控制能量传递（通常由PWM信号驱动）。
2. 续流二极管（或同步MOSFET）D：在开关管关断时为电感电流提供续流路径。
3. 功率电感（L）：储能元件，通过电流的增减实现能量暂存与释放，平滑输出电流。
4. 输出电容（C）：滤波元件，抑制输出电压纹波。
一般DCDC集成芯片内部会集成电压调节电路，通过芯片输出端接分压电阻器将输出电压采样到FB(VFB)端，也就是反馈端，与基准电压对比后通过运放输出一个电压，与三角波对比，产生PWM信号，驱动功率管，实现电压的闭环控制。
二、工作原理
BUCK电路工作主要分为两个阶段
- S1导通：电感L被充磁储能，流经电感的电流线性增加，同时给电容C充电，给负载RL提供能量（如左图所示），此时Vout电压缓慢上升，若S1一直闭合则最终Vout会近似等于Vin电压（S1有耗损压降）
- S1关断：储能电感L通过续流二极管D放电，电感电流IL线性减少，输出电压Vout靠输出电容C放电Ic以及减小的电感电流IL维持(如右图所示)缓慢下降，若S1一直保持关断，则Vout会最终降至0V。
buck电路工作时通过PWM来控制S1的导通和关断，来得到稳定的Vout电压。
电感电流在导通阶段增加（VL =Vin−Vout），关断阶段减少（VL=−Vout）
伏秒平衡定律要求稳态下电感电压积分为零，即：
(Vin−Vout)⋅Ton=Vout⋅Toff
化简得输出电压关系：
Vout=D⋅Vin
其中 D=Ton/Ts为占空比，Ts为开关周期
三、非同步整流Buck和同步整流Buck
异步整流Buck电路的续流回路中采用的是二极管，具有单向导电性，不需要外加电路控制其通断，因此它只有一个mos管（或者说开关管）需要用电路控制，也就不用去强调同步控制二极管，即可以理解为非同步。结构简单但导通压降（~0.3V）导致效率损失。
同步Buck在电路中续流回路中使用的也是MOS管（Q2），即上下管都是MOS管，因为MOS管本身是需要外部控制的元器件，整流过程中必须根据电源的开关时序同步控制Q1与Q2，所以该电路理解为同步。同步Buck的控制较为复杂，需要额外的驱动电路和控制电路保证电路正常工作，如果死区时间处理不当，有可能上下管直通，造成MOS管损坏。
四、元器件选型
- 开关管：
- 击穿电压VDSS：需高于最大输入电压的1.3–1.5倍。例如输入24V时，选择VDSS ≥ 36V的MOSFET。
- 导通电阻（Rds(on)）：
- 高边（HS）：侧重低开关损耗，Rds(on)需尽量小，但可略高于低边（因占空比D通常较小）
- 低边（LS）：传导损耗占比高（损耗 ∝ I²·Rds(on)·(1-D)），需优先选择超低Rds(on)（如<2mΩ）型号
- 温度影响：Rds(on)随结温升高而增大（约+0.5%/℃），需按最高工作温度（如125℃）计算实际损耗
- 栅极电荷（Qg）
- 高边（HS）：Qg直接影响开关速度和驱动损耗（损耗 ∝ Qg·Vgs·fsw），建议选择Qg < 20nC的型号
- 低边（LS）：开关损耗较低，Qg要求可放宽，但过大会增加死区时间损耗
- 功率电感：
1. 饱和电流（Isat)
需额外预留20%~30%余量（磁芯高温下感值衰减30%）
示例：Iout=3A，ΔIL=0.6A，则sat>3.3A×1.3≈4.3A 2. 额定电流（Irated）：需满足Irated>Iout 3. 直流电阻（DCR）：选择 低DCR电感（如<50mΩ），减少铜损
- 输出电容：低ESR
五、降低纹波的方法：
- 选择低ESR电容
- 增大电感值，但需要平衡响应速度
- 增大开关频率，但会带来开关损耗增加的问题
六、Layout注意事项：
- 输入电容（CIN）布局：
- 紧邻芯片：输入电容必须贴近芯片VIN和PGND引脚（间距≤40 mil），优先同层布线
- 避坑：避免输入电容放背面，过孔寄生电感会引发SW振铃（实测振铃电压可降2V）
- 开关节点（SW）与电感布局
- SW节点最小化：SW铜箔面积仅满足通流即可（过大会成天线），远离FB等敏感线路
- 电感就近原则：电感紧靠SW引脚，铺铜连接而非细线走线，降低寄生电阻
- 输出电容（COUT）布局
- 环形包围电感：输出ESL电容贴近电感VOUT端和PGND，多颗MLCC对称排列降低ESL
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