一、Buck架構(gòu)

1、異步Buck

圖1

如圖1，異步BUCK由輸入電容C1、開關(guān)管Q1、儲(chǔ)能電感L1、輸出濾波電容C2、續(xù)流二極管D1和負(fù)載組成。

為了后面公式計(jì)算，我們?cè)谶@里定義參數(shù)，文中均統(tǒng)一：輸入電壓Vin、輸出電壓Vout、電感電流IL、電感電壓VL、導(dǎo)通時(shí)間Ton、截止時(shí)間Toff、電感值L、開關(guān)頻率fs、占空比D、開關(guān)周期為T

電路工作時(shí)，由PWM信號(hào)控制開關(guān)管Q1導(dǎo)通和關(guān)閉；在開管Q1導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管不導(dǎo)通，輸入電壓Vin給電感L1儲(chǔ)能，由濾波電容穩(wěn)壓；我們知道電感阻礙電流變化，根據(jù)楞次定律可知電感升壓公式，電壓VL=L*di/dt；此時(shí)電感兩端電流VL=Vin-Vout，因此電感電流的變化率di/dt=L/(Vin-Vout)；可知Q1導(dǎo)通時(shí)電感電流是線性增加的，斜率為L/(Vin-Vout)，是一個(gè)常數(shù)；

Q1關(guān)閉時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管D1形成回路給負(fù)載繼續(xù)供電；電感需要釋放存儲(chǔ)的能量，此時(shí)電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)使得續(xù)流二極管導(dǎo)通，續(xù)流二極管的負(fù)極電壓為-Vd（電感左邊節(jié)點(diǎn)），而電感右邊節(jié)點(diǎn)是Vout，因此電感兩端電壓VL=-Vd-Vout，同理，電感電流的變化率di/dt=L/(-Vd-Vout)；可知斜率是負(fù)的，電感電流線性減小。

開關(guān)電壓、電感電流、開關(guān)電流以及二級(jí)管電流如下圖所示：

圖2

2、同步Buck

圖3

如圖3，同步Buck由兩個(gè)MOS開關(guān)、儲(chǔ)能電感、以及輸出濾波電容組成，電路工作時(shí)，由PWM信號(hào)控制兩個(gè)MOS管輪流交替導(dǎo)通，從而控制電感充放電，可以看出，與異步Buck架構(gòu)區(qū)別是同步Buck使用MOS開關(guān)替代續(xù)流二極管。

在PWM信號(hào)周期中，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2斷開，輸入電流從Q1到電感充電，電感電壓為VL=Vin-Vout，電感電流線性增加；

當(dāng)Q1斷開，Q2導(dǎo)通時(shí)，電感通過電容與Q2形成放電回路，此時(shí)電感電壓為Vout。

同步Buck的充放電過程的計(jì)算與異步Buck類似，對(duì)應(yīng)的電感、MOS電壓、電流波形此處不再贅述。

3、同步Buck優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

①毫無疑問，同步Buck的效率高是其最大優(yōu)點(diǎn)，異步Buck在續(xù)流器件的損耗是IaVd(平均電流與導(dǎo)通壓降相乘)；而同步Buck的續(xù)流損耗來源于MOS的Rdson，一般都是幾毫歐~幾十毫歐，按照I2R計(jì)算損耗也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于異步Buck；

②一般MOS都是集成在芯片內(nèi)部，不需要額外的PCB面積，Layout工程師最愛。

缺點(diǎn)

①為了防止上下管同時(shí)導(dǎo)通的情況，需要對(duì)死區(qū)時(shí)間做控制，設(shè)計(jì)會(huì)比較復(fù)雜。

②同時(shí)，由于MOS價(jià)格比二極管高，而且需要控制電路，所以成本高。

二、脈寬調(diào)制方式

開關(guān)電源是按照一定的開關(guān)模式，不斷開啟和關(guān)閉開關(guān)，即對(duì)應(yīng)的調(diào)制模式，一般有PWM、PFM、PWM-PFM三種調(diào)制模式。

1、PWM調(diào)制

PWM是脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），信號(hào)頻率固定，改變的是占空比；PWM模式由誤差放大器、鋸齒波和比較器構(gòu)成，誤差放大器將輸出反饋電壓FB與基準(zhǔn)電壓差值放大，產(chǎn)生比較器需要的參考Vref電壓；信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的鋸齒波；比較器輸入為鋸齒波和參考電平Vref，輸出為VCC（開啟電壓））和GND；而通過改變參考電壓Vref，即可改變占空比，如下圖：

圖4

PWM模式開關(guān)頻率由鋸齒波信號(hào)決定，占空比由前端反饋的誤差電壓信號(hào)決定，在重載工況效率比較高，輸出紋波頻率穩(wěn)定，因此比較容易設(shè)計(jì)濾波電路。

但是在輕載工況下，效率較低，由于誤差放大器的影響，在具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和高穩(wěn)定性要求下需要有較好的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

2、PFM調(diào)制

PFM是脈沖頻率調(diào)制，信號(hào)占空比固定，改變的是信號(hào)頻率。當(dāng)電壓輸出電壓較高時(shí)，關(guān)閉輸出，輸出電壓較低時(shí)導(dǎo)通輸出。

PFM模式靜態(tài)功耗小，在不同工況下均有良好的效率，不過由于頻率不固定，輸出濾波器設(shè)計(jì)難度大，有EMI問題，紋波較大，而且可能會(huì)有頻率導(dǎo)致人耳能聽到的噪音。控制電路相比PWM更加負(fù)載，成本較高。

三、芯片內(nèi)部架構(gòu)

圖5

如上圖是TI的TLV62130RGTR，從規(guī)格書里面截取的芯片內(nèi)部框架，不同廠家的設(shè)計(jì)大同小異，以此為例：

1、功率模塊

功率模塊主要由上下MOS管、MOS管驅(qū)動(dòng)搭配外圍電路的輸出儲(chǔ)能電感、濾波電容、自舉電容等組成。

2、反饋比較模塊

反饋比較模塊包含電壓比較控制和電流控制，電壓反饋是提取反饋電壓FB與誤差放大器的基準(zhǔn)電壓做差值放大，從而控制開關(guān)信號(hào)，從而穩(wěn)定輸出電壓，同時(shí)某些芯片也會(huì)做輸出過壓/欠壓保護(hù)；

電流反饋控制是用來做過流保護(hù)，同時(shí)也可以用來檢測(cè)電感電流是否過零點(diǎn)，判斷芯片是否進(jìn)入輕載高效模式。

說到反饋比較模塊不得不提到帶隙基準(zhǔn)，作為誤差放大器的基準(zhǔn)參考源，是由正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的電路構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓，不受電壓和溫度影響，僅由BJT/MOS的尺寸決定，主要是為其他電路提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的參考源。詳細(xì)原理請(qǐng)參考《模擬電子技術(shù)第六版-康華光版》第七章第一節(jié)關(guān)于電流源的講解。

3、欠壓保護(hù)

為了避免芯片工作在較低電壓導(dǎo)致芯片異常，通常芯片會(huì)做輸入欠壓保護(hù)機(jī)制，當(dāng)輸入電壓低于保護(hù)點(diǎn)時(shí)，芯片不進(jìn)入工作狀態(tài)。通常是使用遲滯比較器設(shè)置門檻保護(hù)點(diǎn)，從而控制開關(guān)邏輯。

4、過壓保護(hù)

為了避免芯片工作在過高電壓下工作導(dǎo)致芯片損壞，輸入過壓保護(hù)使芯片輸入電壓高于某一電壓值時(shí)，芯片會(huì)關(guān)斷輸出進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)，輸入電壓恢復(fù)到保護(hù)點(diǎn)以下再正常輸出，不過如果輸入電壓過高，即使關(guān)斷輸出芯片也可能會(huì)損壞。

5、過流保護(hù)

為了避免SW引腳輸出大電流損壞芯片，芯片會(huì)檢測(cè)SW的最大電流，當(dāng)Ipeak觸發(fā)過流保護(hù)點(diǎn)，芯片會(huì)關(guān)斷輸出，輸出電壓會(huì)下降；有些芯片會(huì)限制Ipeak值，那么在負(fù)載增大時(shí)，電壓也會(huì)下降。

6、過熱保護(hù)

為了避免芯片由于溫度過高損壞，當(dāng)溫度達(dá)到芯片保護(hù)點(diǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)熱保護(hù)機(jī)制，關(guān)斷SW引腳輸出，溫度降低后再恢復(fù)。一般是利用BJT的Vbe溫度特性和施密特觸發(fā)器來設(shè)置保護(hù)點(diǎn)，從而控制開關(guān)邏輯。

7、軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)是用來控制芯片開始工作時(shí)輸出電壓的上升時(shí)間，測(cè)試取10%90%輸出電壓的上升時(shí)間，一般在500us10ms；可以保證系統(tǒng)容性負(fù)載較大的情況下，減小沖擊電流保護(hù)芯片；部分芯片軟啟動(dòng)時(shí)間可以通過硬件/軟件修改，有的是固定不可調(diào)的；

8、EN使能

一般是控制EN引腳來控制芯片是否工作，本質(zhì)是一個(gè)施密特觸發(fā)器，使能電壓高于門限電壓，芯片工作。通常為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓時(shí)序，可以通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電容調(diào)節(jié)時(shí)序。

四、外圍電路

圖6

如上圖，是某Buck芯片的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，外圍電路包含以下：

1、供電輸入

VIN輸入腳需要保證不管芯片在什么狀態(tài)下，輸入電壓都不得大于最高工作電壓的80%，輸入主要是輸入電容，輸入電容容值根據(jù)輸入紋波電壓、輸出紋波電流等要求做計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算后文單獨(dú)討論；一般由低ESR的MLCC電容大小搭配，以減小等效ESR，并改善輸入噪聲；如上圖C77、C78、C79、C80、C81，電容盡量靠近芯片引腳，尤其是高頻電容。保證輸入-芯片-功率地路徑最短，一般鋪銅走線。

2、自舉電路

NMOS主回路電流是D到S極，導(dǎo)通條件是Vgs大于開啟電壓Vth，主回路是S極到D極，導(dǎo)通條件是Vsg小于Vth；因此一般將PMOS作為上管，VIN接S極，G給低電壓即可導(dǎo)通，而NMOS作為下管，S極接地，只要給G極一定的電壓即可導(dǎo)通；

但是現(xiàn)在很多芯片是用NMOS作為上管，此時(shí)上管S極已經(jīng)是VIN，則需要G極大于VIN；此時(shí)就需要自舉電容，利用電容兩端電壓不能突變，抬高G極電壓，保證上管導(dǎo)通。如上圖C69

為了改善EMI問題，通常會(huì)預(yù)留串接Rboot，如圖R317，前文已提過改善Buck的方法。

3、使能電路

如圖R316、R41構(gòu)成分壓，可以調(diào)節(jié)上下電時(shí)間；同時(shí)增加C57和R316構(gòu)成RC延時(shí)，可以減緩系統(tǒng)上電，在對(duì)時(shí)序要求比較高時(shí)可以通過調(diào)節(jié)電容來微調(diào)時(shí)序。

有的同學(xué)在設(shè)計(jì)時(shí)是直接把VIN接到使能腳，需要注意的是要看芯片規(guī)格書，有些芯片內(nèi)部的使能腳是有穩(wěn)壓管的，就不能直接接到VIN；

也有要求芯片上電時(shí)序軟件可控，則可以把EN連接到主控，使用軟件控制。

綜上，EN腳一般有幾種控制方式

①EN直接懸空，芯片帶有float to enable功能的則會(huì)內(nèi)部上拉接到VIN

②通過主控的GPIO控制

③電阻分壓控制

④RC延時(shí)控制

⑤多電源協(xié)作，比如使用5V來使能3.3V的EN

4、取樣電路

DCDC芯片反饋網(wǎng)絡(luò)一般由兩個(gè)分壓電阻構(gòu)成，如圖R42、R313，Vout通過電阻分壓輸入至芯片的FB引腳，此引腳是接到芯片內(nèi)部的誤差放大器，與基準(zhǔn)電壓作比較，從而實(shí)現(xiàn)占空比控制。

兩個(gè)電阻值大小會(huì)影響功耗、響應(yīng)速度和噪聲敏感度，應(yīng)該與規(guī)格書取樣電阻值相近。

部分系統(tǒng)為了降低整機(jī)功耗，通常會(huì)采用SVB技術(shù)，即動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)，在芯片上電過程中，對(duì)滿足場(chǎng)景的電壓值進(jìn)行微調(diào)，從而降低功耗。如下圖：

R377和C323構(gòu)成RC積分電路，將主控的PWM信號(hào)積分成直流電壓

R377要遠(yuǎn)小于R376，否則會(huì)影響電壓調(diào)節(jié)范圍

圖7

FB信號(hào)經(jīng)過取樣電阻后比較敏感，因此走線一定要避開干擾源如SW信號(hào)或其他高頻信號(hào)。

5、前饋電容

如圖C82電容，如果電路沒有此電容，反饋網(wǎng)絡(luò)由上述分壓電阻組成，當(dāng)增加前饋電容后，反饋網(wǎng)絡(luò)引入一對(duì)低頻零點(diǎn)和高頻極點(diǎn)，可以提升電源的帶寬和響應(yīng)速度，在針對(duì)后級(jí)突然負(fù)載增加造成電壓跌落的情況，可以合理使用此電容。不過前饋電容的增加會(huì)惡化環(huán)路的相位裕量，因此需要測(cè)試環(huán)路穩(wěn)定性。

6、RC吸收

前文提過的RC吸收電路，抑制開關(guān)的電壓浪涌，改善系統(tǒng)EMI，上圖電路沒有添加，一般是RC加在SW引腳對(duì)地。

7、補(bǔ)償電路

內(nèi)部運(yùn)放的輸入和輸出端需要有阻抗形成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，可以使用電容或者電阻加電容，改變穿越頻率點(diǎn)，破壞自激振蕩條件，有利于環(huán)路穩(wěn)定性。

8、輸出LC

輸出電感儲(chǔ)能放電，與濾波電容構(gòu)成Buck的基本拓?fù)洌蛔鲈斒觥?/p>

**9、其他

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部分芯片有調(diào)節(jié)開關(guān)頻率、IIC程控等功能

本文講了Buck基本原理、調(diào)制方式、芯片內(nèi)部模塊以及外圍電路等內(nèi)容，僅冰山一角，待持續(xù)更新。