前要知识

• 电源篇2——降压芯片BUCK的原理 ：该节讲解了BUCK电路的原理，是本节内容的基础。

芯片的构成

在上一节，我们讨论了BUCK电路的原理，讲解了自举电路和反馈电路。最终给出了下图的原理图。其中图中给出的低边开关$Q_L$是MOS管，所以此电路是同步BUCK拓扑，如果把低边开关$Q_L$换成肖特基二极管$D$，那此电路就是异步BUCK拓扑。

同步BUCK芯片

对于一个芯片，最容易制作的是晶体管，其次是电阻。电容和电感基本是不会直接做在芯片里面。

所以，可以基于此，框出原理图中方便放在芯片内部的部分：

当然，需要说明的是，有些同步BUCK为了能够通过更大电压、更大电流的会选择将高低边开关都分立在芯片外部，以此来减少BUCK芯片的功耗（比如电脑主板给CPU供电的芯片），但大学竞赛不需要因此此处不做讨论，如想学习，可参考外置MOS的电机驱动芯片，这个会在未来的文章中提及。

红色的框和电路相交于5个地方，这也就是芯片重要的5个引脚：

• VCC ： 电源输入端
• SW ： 电源输出端
• GND ： 地
• BOOT ： 自举引脚
• FB ： 反馈引脚

用方框代替芯片后，就得到如下的原理图：

此处使用颜色标记出的相应的电源和信号（区分这部分的目的是下一节的布局问题需要）：

• 红色部分是电源正极的功率线部分
• 蓝色部分是电源负极的功率线部分
• 绿色部分是信号的信号线部分
• 实际BUCK芯片的其他引脚都是信号线

异步BUCK芯片

同样的，对于异步BUCK，同样如此：

只不过因为低边二极管$D$不受控制且需要过较大的电流，所以一般会独立于芯片之外而存在，但总体的5个核心引脚仍是和同步BUCK一致。

用方框代替芯片后，就得到如下的原理图：

同步BUCK芯片举例

TPS54302

TPS54302是最接近上述原理推导时候说的芯片，其简化原理图想比于上面的原理图，就多了一个使能引脚：

其内部结构方框图如下所示：

可以很明显的看出减法器部分中的Error Amplifier（误差放大器）将Voltage Reference（参考电压）与FB引脚输入相减，经过二阶滤波后，输入给控制电路的HS MOSFET Current Comparator（高边MOSFET电流比较器），进一步控制高低边开关的输出。这与上一节方框图（下图）的推理相一致：

在数据手册中也给出了参考设计和对应不同输出的元器件值：

通过这些参数大部分常见的电源轨都是可以简单得到的。不常见的电源输出也可以通过查找参考电压$V_{ref}$的典型值加以推算来得到。

需要特别注意的是：芯片的不同部分是有不同的耐压要求的，设计时候务必需要注意。

从手册上来看，EN引脚的耐压最大为7V，而VIN引脚为30V，所以不能简单的直接将VIN和EN两个引脚短接，如此可能会造成芯片的损毁。这也是参考设计中串联电阻$R_4$和$R_5$的作用！

另外，为了优化输出信号的质量，有些芯片会在反馈电阻上并联电容，如参考设计中的$C_6$，有些会在自举电容上串联电阻，这种都是些优化手段，此处不多过分陈述。

SCT2450

SCT2450是全国大学生智能汽车竞赛相关厂家逐飞科技使用的一款给舵机供电的降压芯片。其典型应用图如下所示：

可以看出，相比于基础的5个引脚，还多出了三个信号引脚，分别是：

• EN ：芯片使能引脚，控制芯片工作与否
• COMP ： 误差放大器输出引脚
• RT/CLK ： 时钟频率控制引脚

为了快速了解，以下分析直接分析结构方框图：

相比于TPS54302的方框图，这个方框图更加简洁。
依旧从FB开始向右看。EA（误差放大器）将参考电压（0.8V）和反馈电压相减，输出引出为COMP。对比于TPS54302，很显然这里缺少了对地的电容，也就是滤波器的部分，这也是COMP引出来的目的，为了方便我们针对输出进行滤波。
然后，输出给Control Logic（控制逻辑）来控制高低边开关的导通控制。
当然因为我们没有阐述具体的控制方案，因此直连到Control Logic的CLK是暂时没法解释的。这里如果你愿意多学的话可以去查阅SPWM的资料，如果不想的话可以直接按照数据手册所说使用即可。

和TPS54302一样，芯片也给出了参考设计和对应不同输出的元器件值：

异步BUCK芯片举例

LM2596

LM2596是最简单的异步BUCK芯片，其典型应用图如下所示：

相比于上述推导的典型原理图，LM2596缺少了BOOT引脚，多出了ON/OFF引脚。
ON/OFF引脚也就是之前所说的使能引脚（EN），很好理解。

而BOOT引脚去掉的原因则需要从内部结构方框图中考察：

还是从FEEDBACK（缩写为FB）引脚开始看，输入的信号先由内部的$R_2$和$R_1$分压。从这里看出，该芯片是内部分压，所以外部不需要电阻分压。
分压后，电压进入AMP（amplifier，放大器），该放大器将输入信号和参考电压（1.235V）相减。相减的信号直接接入后续的控制电路。最终通过DRIVER模块控制由多个NPN管构成的达林顿管。
由于使用的是NPN，不是NMOS所以不需要使用电荷泵升压，但是相对应的，芯片的发热会更加严重，所以需要更大的焊盘来散热。

反馈分流是内置的，所以使用方式直接按照上述的典型应用图绘制就可以了。

TPS54540

TPS54540的简化原理图和SCT2450一样，都是将COMP和RT/CLK引出，其简化原理图如下所示：

其内部结构方框图和SCT2450也大致一致，此处不在赘述。

总结

以上，我们将从BUCK电路的原理触发，讲解了同步异步芯片的简单构成，最后从芯片手册触发讲解了芯片的具体使用。

后记

这是我硬件入门电源篇的一节，如果你也想入门硬件，欢迎来看我的博文。

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