Buck電路的原理及器件選型指南
Buck電路工作原理
電源閉合時(shí)電壓會(huì)快速增加，當(dāng)斷開時(shí)電壓會(huì)快速減小，如果開關(guān)速度足夠快的話，是不是就能把負(fù)載，控制在想要的電壓值以內(nèi)呢?
假設(shè)12V降壓到5V，也就意味著，MOS管開關(guān)需要42%時(shí)間導(dǎo)通，58%時(shí)間斷開。
當(dāng)42%時(shí)間MOS管導(dǎo)通時(shí)，電感被充磁儲(chǔ)能，同時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充電，給負(fù)載提供電量。
當(dāng)58%時(shí)間MOS管斷開時(shí)，由于電感上的電流不能突變，電路通過電感的電流及電容為負(fù)載供電，從而將負(fù)載端的電壓維持在5V。
視頻詳解：
Buck電路的器件選型
Buck電路主要由以下部分組成：
控制器芯片
功率MOS管
功率電感
輸入/輸出濾波電容
控制器芯片的選型
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，控制器首先要滿足開關(guān)電源電路的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，其次要滿足電路的工作環(huán)境要求，最后要在成本控制范圍內(nèi)選擇適合的電源方案。
模擬控制器還是數(shù)字控制器：數(shù)字控制器外圍電路簡(jiǎn)單，在線調(diào)試更容易，并可以根據(jù)應(yīng)用靈活配置。
單相還是多相：根據(jù)輸出電流大小來選擇相數(shù)。相數(shù)不夠則無法滿足電流需求，相數(shù)過多則成本增加。輸出電流30A以下，選擇單相控制器即可;超過30A則增加至2相，以此類推，一般保持每相電流在15A~30A(取決于功率器件的能力)這個(gè)范圍是比較合理的。
輸入與輸出電壓范圍：根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景，選擇輸入與輸出電壓合適的控制器芯片，保證輸入電壓在控制可承受范圍內(nèi)，保證輸出電壓大小與精度符合電路設(shè)計(jì)要求。
通信協(xié)議：對(duì)于數(shù)字控制器而言，要考慮控制器芯片支持哪些通信協(xié)議，滿足主控芯片對(duì)于通信接口的分配。
功率MOS管的選型
Vds耐壓：保證實(shí)際MOS管工作時(shí)DS兩端壓差小于Vds耐壓，避免MOS管被擊穿?？紤]到電路實(shí)際工作時(shí)MOS管DS兩端的波形會(huì)有振鈴，Vds耐壓一般選擇比輸入電壓高10V以上，例如輸入20V，選擇Vds耐壓為30V的MOS。
Id電流：保證輸出峰值電流不超過Id，可通過MOS管的SOA曲線來判斷。MOS規(guī)格書標(biāo)明的Id電流是基于Rdson和最大功率Pd計(jì)算得來的，沒有考慮開關(guān)損耗，因此不能直接跟MOS的Irms進(jìn)行比較，需要計(jì)算MOS整體的損耗來確定選型。
Rdson和Qg：這兩個(gè)參數(shù)影響MOS管的損耗，原則是上管選擇Qg更低的MOS管，下管選擇Rdson小的MOS。如果Buck電路PWM的占空比較大(>50%)，上管的導(dǎo)通損耗也不容忽視，需要Qg和Rdson兩個(gè)參數(shù)都小。另外還可以通過降低MOS管的開關(guān)頻率或者將MOS管并聯(lián)來降低開關(guān)損耗。
功率電感的選型
感值：電感的感值可使用以下公式計(jì)算得出，其中r是電流紋波率，一般選擇0.3~0.5左右：
電感值會(huì)影響輸出電源紋波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。
電流：電感的電流分為飽和電流Isat和溫升電流Irms，實(shí)際工作時(shí)電感上電流波形如下：
選擇電感時(shí)首先要保證飽和電流Isat大于電感電流峰值Ipeak，從而避免電感飽和，感值下降造成MOS和電感損壞。
溫升電流是從電感的工作溫度和損耗的角度出發(fā)，選型時(shí)盡量讓溫升電流大于電感電流的有效值，如下面公式所示：
DCR(直流電阻)：如果電源電路使用電感DCR做電流檢測(cè)時(shí)，為了保證檢測(cè)結(jié)果的一致性，電感的DCR精度盡量選擇±5%以內(nèi)。
濾波電容的選型
耐壓值：一般電容的耐壓需要降額到90%左右使用，為了更高的可靠性，在一些特定場(chǎng)景要求降額到50%。
容值：電容的容值影響濾波和穩(wěn)壓的效果，理論上容值越大，效果越好。
實(shí)際上電容的頻率-阻抗特性曲線并非線性，不同電容的特性曲線也不一樣。如下圖所示，分別為330uF，22uF，0.1uF的特性曲線。
在低頻段330uF的阻抗要明顯低于22uF和0.1uF，在中間頻段則是22uF的阻抗較低，高頻段0.1uF的阻抗較低。因此需要針對(duì)不同頻段的電源噪聲，選擇不同容值的電容組合濾波。
在Buck電路的輸入和輸出端，一般選擇大容值的固態(tài)電解電容跟小容值的MLCC組合，以實(shí)現(xiàn)全頻段都有較低的阻抗。
最大紋波電流：電容紋波電流有效值要大于實(shí)際輸入電容的紋波電流。輸入電容紋波電流有效值可以按照如下公式計(jì)算：
ESR(等效串聯(lián)電阻)：電容的ESR主要影響電源紋波，同時(shí)也跟電容的紋波電流有效值相關(guān)。一般情況下，電容的ESR越小，紋波電流有效值越大，如下圖所示：
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