細說Buck【0】關於「Buck」為什麼叫「Buck」
細說Buck【1】工作過程
細說Buck【2】工作波形1
細說Buck【3】CCM、DCM、BCM
細說Buck【4】輸入電容
細說Buck【5】Buck電路的損耗
細說Buck【6】輸出電流如何檢測的
細說Buck【7】輸出電容
細說Buck【8】Boot電容（自舉電容）
細說Buck【9】輸出電感
細說Buck【10】電源設計的意識流
細說Buck【11】多相Buck的工作原理
首先，要區分同步和非同步的概念。通俗一點：在應用中上管和下管都有場效應管的就是同步的。只有一個上管的開關就是非同步的，因為在非同步電源中，下管是一個二極體不需要控制，也就不存在控制器同步的問題。圖1.30和1.31下圖以Buck電路為例，對比同步與非同步的區別。
對於非同步電源來說，由於輸出電流在變化的時候，二極體的壓降是恆定的，導致在流過二極體電流很大的時候，原本在二極體上很小的電壓乘以一個相當大電流，在輸出電壓很低的情況下，二極體的小電壓占據了非常大的比重，它消耗的功率就非常的大，所以在大電流的情況下，它的效率會非常的低下。效率低下是非同步電源的最大的缺點。
二極體的價格要比MOSFET的價格要便宜的，成本來說，非同步更好一點。如果在輸出的電壓比較高的時候，二極體正嚮導通的電壓所占的比重很小，對效率的影響也就沒那麼大了。
對同步電路而言，MOS有一個很重要的參數，導通電阻Rds on。一般的MOSFET的導通電阻都非常小，毫歐級別，所以MOS導通之後壓降比較低。而且在同樣的條件下，MOS的導通電壓遠遠小於肖特基二極體的正嚮導通壓降，在電流不變的時候，MOSFET上損耗的能量比二極體要小，所以同步電源的效率比二極體的要高。
當然，同步電路也有它的缺點。對於控制器晶片來說，對於下管的控制需要額外的控制電路，使得上下管MOSFET的時序能夠同步（上管打開時，下管關閉；下管打開時，上管關閉）。
同樣，Boost以及其他拓撲的電源都有同步與非同步的兩種電路實現方式。隨著半導體產業的進步，以及晶片的規模效應，同步電源逐步吞噬非同步的市場，占據了絕大多數市場份額。
Buck電路作為開關電源，其工作過程分析，一定是圍繞這個開關管的開關過程進行分析，包括從「開」狀態轉換到「關」狀態的切換過程的分析。
1. Buck電路原理圖
Buck電路，又稱降壓電路，其基本特徵是DC-DC轉換電路，輸出電壓低於輸入電壓。輸入電流為脈動的，輸出電流為連續的。如圖5.1所示，Buck電路使用開關管Q1將輸入的直流電源進行「斬波」，形成方波。利用一個方波控制開關管，讓開關管按照控制信號進行通斷。調節方波的占空比，控制通過的能量。再對通過開關管的方波進行低通濾波，讓直流電壓輸出。其實Buck的輸出電流分成兩個部分的，一個部分是來自電源，一個部分是來自非同步電路中的這個二極體，如圖5.1所示D1，只是同步電路把這個二極體用一個MOSFET給替代了，這個MOSFET被稱為「下管」，如圖5.2所示，圖中的Q2替代了D1。但是這個Q2的開和關，需要和Q1的開和關保持一定的相位關係，大家習慣把這樣的關係叫做同步模式。
在同步Buck電路中，有兩個MOSFET作為開關管，分別處於拓撲結構的上端和下端，所以我們一般把Q1位置的MOSFET稱為「上管」，把Q2位置的MOSFET稱為「下管」。
其實我們在實際設計過程中，非同步電源的電路越來越少被使用。這種Buck電路被稱為非同步Buck，因為作為開關管的MOSFET只有一個就是Q1。Buck控制器晶片需要控制Q1的時序，但是不需要控制二極體。在非同步Buck電路中，二極體是不需要控制的，也不存在開關管同步的問題。
同步和非同步的區別從外部來看，非同步Buck電流有續流的二極體，同步Buck電路沒有續流的二極體，取而代之是一個開關管。
非同步Buck電路，二極體續流（二極體與電感形成一個通路，二極體為電感保持電流持續，電流從二極體通過）期間，二極體兩端的電壓相對恆定，表現為二極體的「正嚮導通壓降」VF。這個特性導致非同步壓降電路在二極體上消耗的能量比較大，所以非同步Buck的效率比較低。因為其電路特點不需要複雜的控制，控制器成本也比較低。
同步Buck電路，採用MOSFET，下管續流的期間（上管關閉，下管打開，下管為電感保持電流持續，電流從下管通過），MOSFET完全導通，其特性表現為D極和S極 之間的導通等效阻抗。由於下管的導通阻抗比較小，根據歐姆定律其兩端的電壓為電阻和電流的乘積也比較小。對於非同步開關電源來說，二極體的兩端電壓為二極體正嚮導通電壓大約為0.7V，功耗為電流與電壓的乘積。相同輸出電流的情況下，消耗在同步Buck電路的下管上的損耗比非同步的Buck電路二極體也小很多。所以同步Buck電路的效率比較高，相比來說需要額外的控制電路，成本相對也高一些。但是隨著晶片的技術發展，同步Buck電路的優勢越來越大，所以一般都選擇同步Buck，規模效應帶來的成本優勢逐步明顯。
1. Buck電路工作原理
（1）非同步Buck電路基本工作原理分析
當開關管Q1驅動為高電平時，開關管導通，儲能電感L1被充磁，流經電感的電流線性增加，同時給電容C1充電，給負載R1提供能量。非同步Buck變換器基本電路的開關管導通等效為短路，二極體反向截止等效於斷路，這個狀態的等效電路如圖所示。
開關管導通狀態下的等效電路
當開關管Q1驅動為低電平時，開關管關斷，儲能電感L1通過續流二極體放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，等效電路如圖所示。
開關管關斷狀態下的等效電路
（2）同步Buck電路基本工作原理分析
當上管導通，即為開關管Q1驅動為高電平時，此時下管關閉，即為開關管Q2驅動為低電平，儲能電感L1被充磁，流經電感的電流線性增加，同時給電容C1充電，給負載提供能量。同步Buck變換器基本電路的上管導通等效為短路，下管關閉等效於斷路，這個狀態的等效電路如圖所示。
同步Buck電路上管導通狀態下的等效電路
當上管Q1驅動為低電平時，上管關斷，此時下管Q2驅動電平為高電平，下管導通，儲能電感L1通過續流二極體放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，等效電路如圖所示。
同步Buck電路的上管關斷狀態下的等效電路
我們在計算開關電源的時候，同步控制器的MOSFET下管的體二極體在死區時間的時候，會起作用。實現死區時間的續流。我們在計算開關電源的下管的損耗的時候，需要計算這個體二極體的損耗。同步BUCK和非同步BUCK體二極體如圖所示。
非同步BUCK和同步BUCK電路中的體二極體
如果是同步控制器，我們需要計算下管的體二極體在死區時間的導通損耗。如果是非同步控制器，我們則需要計算體二極體的續流時間的所有損耗。下表是某器件手冊中的體二極體損耗。
體二極體損耗
二極體功耗，與正嚮導通電壓、開關頻率、死區時間、平均電流、相數有關。所以我們需要選擇，體二極體的導通電壓更小的MOSFET；死區時間更小的控制器MOSFET組合；適當選擇開關頻率。圖是互補PWM時間的波形圖。
互補PWM的死區時間
相對於PWM來說，死區時間是在PWM輸出的這個時間，上下管都不會有輸出，當然會使波形輸出中斷，死區時間一般只占百分之幾的周期。但是當PWM波本身占空比小時，空出的部分要比死區還大，所以死區會影響輸出的紋波，但應該不是起到決定性作用的。
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