前要知识

• 电源篇1——降压芯片LDO ： 在该节中讲解了LDO的原理，说明了为什么 LDO的降压小，电流小的问题，本节会从LDO出发讲解如何对LDO改造，得到BUCK电路的拓扑结构。

BUCK拓扑结构的由来

在上一节，讲解了LDO的原理。LDO的本质其实是一个可调电阻。将多余的电能以热能的形式散发出去。所以功耗很大。
反过来，为了抑制功耗，LDO只能运用在小电流、小电压差的环境里。

为了方便以下的说明，这里先把原理图先简要的画出来

那既然LDO的等效电阻$R_p$是罪魁祸首，那就把这个电阻卸了，换一个不太耗能的，能被控制的元件来。

最简单的控制元件就是——开关：

这个时候，我们再来查看输出波形，负载的两端是个PWM信号。$S$导通时有输出电压，S关断时没有输出电压：

这时候，输出电压是十分不稳定的，时有时无。而电源轨的要求是输出电压是个连续稳定的能量供给。那这显然是相互违背的，不可接受。

那就再添加一个储能元件，让S断开的时候依旧有能力保持输出。最基本的储能元件就是电容。所以在负载两端并联加一个电容，有效的保持输出能力。
这时候，断开S相当于是一阶电路的零输入响应，

断开$S$时，能量的供应问题解决了，那就得考虑闭合$S$时的问题了。
闭合$S$的一瞬间，电容电压$V_C^{-}<V_{in}$ 。电容电压又不能突变，那就会造成一个非常大的冲击电流，冲击开关$S$。开关$S$容易损毁，得给S加限流措施。

说到限流，第一反应理所应当是限流电阻，给S串一个电阻。

但这样，不又把电阻$R_p$放回去了吗？！！这显然是不可取的。

不能用电阻限流，又要电流不能变化太大。那就只能用电感来限制了：

现在，闭合$S$时候电流问题解决了，再来看断开$S$时的问题了。
当$S$断开，电感一端便断路了，于是电感没有放电回路。电感的电流瞬间突变，在电感上产生一个电压尖峰，容易烧坏电感。

所以需要添加电感的放电回路，在电感和地之间添加一个放电回路。

现在$S$断开没问题了，那就再回来看$S$闭合，显然是不行的，不然就短路了，直接电池正极接负极了！

所以需要再添加的这个闭合回路上添加点东西来避免短路。
这里有两种添加方案，于是产生了两种BUCK拓扑，一种叫异步BUCK ，一种叫同步BUCK，以下将分别介绍。

异步BUCK

第一种：添加二极管（一般是肖特基二极管）

这种方案利用了开关$S$闭合、断开时闭合回路上的不同电流方向：

• 红色箭头指出了开关$S$闭合时候的电流回流路径：肖特基二极管两端电压$V_D$为$-V_{in}$ ，二极管反向截止，没有电路通过，防止电路短路。
• 蓝色箭头指出了开关$S$闭合时候的电流回流路径：肖特基二极管两端电压$V_D$为$V_{out}$，二极管正向偏置，回路导通，释放电感电流。

因为开关$S$的电流导通时刻和二极管$D$相反，所以这种BUCK被称为异步BUCK。

同步BUCK

第二种：添加开关

这种方案显而易见就是控制$S$和$S^{\prime }$两个开关：

这两个开关是相反操作，始终保持一开一关。

因为开关$S$和$S^{\prime }$的操作是同时进行的，所以这种BUCK被称为同步BUCK。

元件的作用

通过以上的讲解，可以很轻松的知道每个元器件在电路里面的作用。

• 开关$S$ ：不停开关，给后续电路提供适当的电能。
• 电容$C$ ：存储电能，在$S$断开时续上能量。
• 电感$L$ ： 存储电能，在$S$闭合时续上能量。
• 二极管$D$或开关$S^{\prime }$ ： 在$S$断开时续上回路。

当然，看待这个电路的方法不只有这一种，我们可以将其拆成两个部分来看。
一部分是PWM发生器：

将输入的直流电改为交流电：

另一部分是低通滤波器：

将交流电的高频信号滤除，只保留低频信号，于是形成一个类似于直流的输出。

当然这是从信号角度来看的，学信号的同学如此记忆会比较快。

BUCK电路从理论到现实

在实际电路中，开关$S$和$S^{\prime }$的开关频率为20kHz到2MHz，很显然是不可能用机械开关来控制的。

所以需要将开关替换为晶体管（三极管的功耗太大，所以一般使用MOS管），此处以NMOS为例:

为了方便讲解，在此先做出以下四个定义：

• 上侧的MOS管（$Q_H$）被称为高边（High-side）开关
• 下侧的MOS管（$Q_L$）被称为低边（Low-side）开关
• 输入侧电容（$C_{in}$）被称为输入电容
• 输出侧电容（$C_{out}$）被称为输出电容

随之而来的，从理论的BUCK模型到实际的运用还有重要两个问题需要解决。

打开高边开关

对于一个NMOS管来说：

要使得漏（$D$）源（$S$）之间导通，需要栅源级之间的电压$V_{GS}$满足：
$$\begin{array}{c}{V}_G-V_S=V_{GS}>V_{GS(th)}\end{array}$$
其中，$V_{GS(th)}$被称为栅极阈值电压，对于同一型号的NMOS管来说是一个常数，一般小于2V。

（如果$V_{GS}\le 0$，MOS管断开；如果$0<V_{GS}\le V_{GS(th)}$，那MOS管处于饱和区，相当于一个电阻，那又回到了上一节所述的LDO结构）

对于低边开关，这个导通问题是不存在的，因为低边开关的源极接地，只要给栅极一个$V_{in}$，$V_{GS}$便满足了要求顺利导通。

但当考察高边开关导通的时候，这个问题就出现了：

高边开关导通时，电流沿箭头方向流经。此时漏源导通，源极电压$V_{HS}\approx V_{in}$，此时代入式（1），可得：
$$\begin{array}{c}{V}_G>V_{GS(th)}+V_S\approx V_{GS(th)}+V_{in}\end{array}$$
也就是说，栅极电压要比输入电压还要高！

为了解决这个问题工程师们提出了“电荷泵”（charge pump）。
在BUCK芯片中，主要由电容和二极管（一般是肖特基二极管）构成：

推理需要从低边开关导通，高边开关截止开始。此时电流以红色的方向流动，此时，B点的电压为0V，电源电压给电容$C_{BOOT}$充电，此时A点的电压为$V_{in}$，电容存储$V_{in}$的电压。
随后，低边开关截止，高边开关导通，此时电流以绿色的方向流动，此时，B点电压为$V_{in}$，加上电容$C_{BOOT}$存储的$V_{in}$，A点达到$2V_{in}$，同时二极管$D_{BOOT}$的存在也确保了A点电压能够保持，电流不会往$V_{in}$去灌。
当然这个$2V_{in}$肯定是偏高的，因为$D_{BOOT}$、$Q_H$、$Q_L$势必会导致一定的压降，但肯定的是，A点的电压作为栅极高边开关的栅极控制开关是完全足够的。

以上便是电荷泵的构成，其中$C_{BOOT}$被称为自举电容。

电荷泵的出现，有效的解决了高边开关的导通问题。但也意味着高边开关不能长时间开启，因为电荷泵的电压需要低边导通供给。

这也意味着BUCK的压差不能太小。

反馈回路

对于BUCK电路的控制（如何给高边、低边开关给与合适的信号）对于芯片使用者来说不是重要的部分，所以此处不谈。

芯片使用者只需要知道如何令BUCK输出自己所需的电压就可以了，这个思路本质上和LDO是一致的：

芯片内部自带基准参考电压，通过负反馈将$F{V}_{out}$控制在$V_{ref}$附近就能输出想要的$V_{out}$了：

同样的，通过运算放大器将分压后的电压和参考电压$V_{ref}$作减法，得到控制信号给后续控制电路，控制高低边开关的信号。

总结

本节讲解了BUCK的电源拓扑，并逐渐从示意图中的开关变到晶体管上，解决了高边开关开启和输出电压控制的实际问题。

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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