詳解三種適合于低占空比、基于飛輪電容的BUCK變換器結(jié)構(gòu)

相對(duì)于電壓模式的 Buck 變換器，盡管電流模式的 Buck 變換器需要精密的電流檢測電阻并且這會(huì)影響到系統(tǒng)的效率和成本，但電流模式的 Buck 變換器仍然獲得更為廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)槠渚哂幸韵碌膬?yōu)點(diǎn)：

①反饋內(nèi)在 cycle-by-cycle峰值限流;

②電感電流真正的軟起動(dòng)特性;

③精確的電流檢測環(huán);

④輸出電壓與輸入電壓無關(guān)，一階的系統(tǒng)容易設(shè)計(jì)反饋環(huán)，系統(tǒng)的穩(wěn)定余量大穩(wěn)定性好，對(duì)于所有陶冶電容容易補(bǔ)償;

⑤易實(shí)現(xiàn)多相位/多變換器的并聯(lián)操作得到更大輸出電流;

⑥允許大的輸入電壓紋波從而減小輸入濾波電容。對(duì)于電流模式的 Buck 變換器，電流的取樣電阻有三種不同的放置方式：

①放置在輸入回路即與高端主開關(guān)管相串聯(lián);

②放置在輸出回路即與電感相串聯(lián);

③放置在續(xù)流回路即與續(xù)流的二極管或同步開關(guān)管相串聯(lián)。有時(shí)候?yàn)榱颂岣咝?，可以取消外加的取樣電阻，用高端主開關(guān)管的導(dǎo)通電阻、電感 DCR 或續(xù)流同步開關(guān)管的導(dǎo)通電阻作電流取樣電阻。

本文將詳細(xì)的闡述這些問題并比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而使電源工程師有針對(duì)性的選取不同的架構(gòu)來滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。

飛輪電容的工作原理類似于充電泵電容，可以實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1)疊加在浮動(dòng)電壓上實(shí)現(xiàn)升壓，如疊加在BUCK、BOOST變換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的電容。

(2)實(shí)現(xiàn)升降壓功能，如SEPIC電路的主功率回路電容。

(3)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓功能，如CUK電路的主功率回路電容。

如果將飛輪電容串聯(lián)在BUCK電路的主回路，輸入電壓通過飛輪電容加到輸出電感，由于電容相當(dāng)于一個(gè)電壓源，那么，電感兩端所加的電壓為：Vin –Vc –Vo，相比Vin –Vo，電壓降低很多，就可以實(shí)現(xiàn)這種低占空比的應(yīng)用，同時(shí)還可以提高效率，下面分別介紹這三種飛輪結(jié)構(gòu)的BUCK變換器。

Buck電路的工作分為兩個(gè)主要階段：開關(guān)開啟階段和開關(guān)關(guān)閉階段。

開關(guān)開啟階段

在這個(gè)階段，開關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入電壓Vin通過開關(guān)直接加到電感L上。此時(shí)，電感上的電流逐漸增加，電能儲(chǔ)存在電感的磁場中。同時(shí)，電容C開始充電，輸出電壓Vout上升，向負(fù)載提供能量。飛輪二極管在此階段處于反向偏置狀態(tài)，因此不導(dǎo)通。

開關(guān)關(guān)閉階段

當(dāng)開關(guān)元件關(guān)閉時(shí)，電感L產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢使得二極管導(dǎo)通，電感中的電流通過二極管流動(dòng)，維持輸出電流的連續(xù)性。在此階段，電感釋放儲(chǔ)存的能量到負(fù)載，電感電流逐漸減小。同時(shí)，電容C也開始放電，幫助維持輸出電壓的穩(wěn)定。

控制方式

Buck電路通常采用脈寬調(diào)制(PWM)的方式來控制開關(guān)元件的開啟與關(guān)閉。通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，即開關(guān)元件在每個(gè)周期內(nèi)的開啟時(shí)間與總周期的比例，可以精確控制輸出電壓的平均值。增大占空比會(huì)使輸出電壓升高，減小占空比則會(huì)使輸出電壓降低。

性能特點(diǎn)與應(yīng)用

Buck電路具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易于控制等特點(diǎn)。由于其高效的電源轉(zhuǎn)換能力，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，如筆記本電腦的適配器、電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)、以及可再生能源系統(tǒng)中的電力調(diào)節(jié)。

Buck電路是一種基礎(chǔ)且非常重要的電力電子電路，它通過簡單的開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)了高效的降壓轉(zhuǎn)換。理解其工作原理對(duì)于電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用具有重要意義。