一、Buck架構

1、異步Buck

圖1

如圖1，異步BUCK由輸入電容C1、開關管Q1、儲能電感L1、輸出濾波電容C2、續流二極管D1和負載組成。

為了后面公式計算，我們在這里定義參數，文中均統一：輸入電壓Vin、輸出電壓Vout、電感電流IL、電感電壓VL、導通時間Ton、截止時間Toff、電感值L、開關頻率fs、占空比D、開關周期為T

電路工作時，由PWM信號控制開關管Q1導通和關閉；在開管Q1導通時，續流二極管不導通，輸入電壓Vin給電感L1儲能，由濾波電容穩壓；我們知道電感阻礙電流變化，根據楞次定律可知電感升壓公式，電壓VL=L*di/dt；此時電感兩端電流VL=Vin-Vout，因此電感電流的變化率di/dt=L/(Vin-Vout)；可知Q1導通時電感電流是線性增加的，斜率為L/(Vin-Vout)，是一個常數；

Q1關閉時，電感中儲存的能量通過續流二極管D1形成回路給負載繼續供電；電感需要釋放存儲的能量，此時電感產生反電動勢使得續流二極管導通，續流二極管的負極電壓為-Vd（電感左邊節點），而電感右邊節點是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)；可知斜率是負的，電感電流線性減小。

開關電壓、電感電流、開關電流以及二級管電流如下圖所示：

圖2

2、同步Buck

圖3

如圖3，同步Buck由兩個MOS開關、儲能電感、以及輸出濾波電容組成，電路工作時，由PWM信號控制兩個MOS管輪流交替導通，從而控制電感充放電，可以看出，與異步Buck架構區別是同步Buck使用MOS開關替代續流二極管。

在PWM信號周期中，當Q1導通，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Q1斷開，Q2導通時，電感通過電容與Q2形成放電回路，此時電感電壓為Vout。

同步Buck的充放電過程的計算與異步Buck類似，對應的電感、MOS電壓、電流波形此處不再贅述。

3、同步Buck優缺點

優點

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

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

缺點

①為了防止上下管同時導通的情況，需要對死區時間做控制，設計會比較復雜。

②同時，由于MOS價格比二極管高，而且需要控制電路，所以成本高。

二、脈寬調制方式

開關電源是按照一定的開關模式，不斷開啟和關閉開關，即對應的調制模式，一般有PWM、PFM、PWM-PFM三種調制模式。

1、PWM調制

PWM是脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），信號頻率固定，改變的是占空比；PWM模式由誤差放大器、鋸齒波和比較器構成，誤差放大器將輸出反饋電壓FB與基準電壓差值放大，產生比較器需要的參考Vref電壓；信號發生器產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模式開關頻率由鋸齒波信號決定，占空比由前端反饋的誤差電壓信號決定，在重載工況效率比較高，輸出紋波頻率穩定，因此比較容易設計濾波電路。

但是在輕載工況下，效率較低，由于誤差放大器的影響，在具有快速瞬態響應和高穩定性要求下需要有較好的補償網絡設計。

2、PFM調制

PFM是脈沖頻率調制，信號占空比固定，改變的是信號頻率。當電壓輸出電壓較高時，關閉輸出，輸出電壓較低時導通輸出。

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

三、芯片內部架構

圖5

如上圖是TI的TLV62130RGTR，從規格書里面截取的芯片內部框架，不同廠家的設計大同小異，以此為例：

1、功率模塊

功率模塊主要由上下MOS管、MOS管驅動搭配外圍電路的輸出儲能電感、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電壓做差值放大，從而控制開關信號，從而穩定輸出電壓，同時某些芯片也會做輸出過壓/欠壓保護；

電流反饋控制是用來做過流保護，同時也可以用來檢測電感電流是否過零點，判斷芯片是否進入輕載高效模式。

說到反饋比較模塊不得不提到帶隙基準，作為誤差放大器的基準參考源，是由正溫度系數和負溫度系數的電路構成的基準電壓，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定準確的參考源。詳細原理請參考《模擬電子技術第六版-康華光版》第七章第一節關于電流源的講解。

3、欠壓保護

為了避免芯片工作在較低電壓導致芯片異常，通常芯片會做輸入欠壓保護機制，當輸入電壓低于保護點時，芯片不進入工作狀態。通常是使用遲滯比較器設置門檻保護點，從而控制開關邏輯。

4、過壓保護

為了避免芯片工作在過高電壓下工作導致芯片損壞，輸入過壓保護使芯片輸入電壓高于某一電壓值時，芯片會關斷輸出進入過壓保護狀態，輸入電壓恢復到保護點以下再正常輸出，不過如果輸入電壓過高，即使關斷輸出芯片也可能會損壞。

5、過流保護

為了避免SW引腳輸出大電流損壞芯片，芯片會檢測SW的最大電流，當Ipeak觸發過流保護點，芯片會關斷輸出，輸出電壓會下降；有些芯片會限制Ipeak值，那么在負載增大時，電壓也會下降。

6、過熱保護

為了避免芯片由于溫度過高損壞，當溫度達到芯片保護點時，會觸發熱保護機制，關斷SW引腳輸出，溫度降低后再恢復。一般是利用BJT的Vbe溫度特性和施密特觸發器來設置保護點，從而控制開關邏輯。

7、軟啟動

軟啟動是用來控制芯片開始工作時輸出電壓的上升時間，測試取10%90%輸出電壓的上升時間，一般在500us10ms；可以保證系統容性負載較大的情況下，減小沖擊電流保護芯片；部分芯片軟啟動時間可以通過硬件/軟件修改，有的是固定不可調的；

8、EN使能

一般是控制EN引腳來控制芯片是否工作，本質是一個施密特觸發器，使能電壓高于門限電壓，芯片工作。通常為了調節系統電壓時序，可以通過調節并聯電容調節時序。

四、外圍電路

圖6

如上圖，是某Buck芯片的應用電路設計，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，輸入電容容值根據輸入紋波電壓、輸出紋波電流等要求做計算，詳細計算后文單獨討論；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，導通條件是Vgs大于開啟電壓Vth，主回路是S極到D極，導通條件是Vsg小于Vth；因此一般將PMOS作為上管，VIN接S極，G給低電壓即可導通，而NMOS作為下管，S極接地，只要給G極一定的電壓即可導通；

但是現在很多芯片是用NMOS作為上管，此時上管S極已經是VIN，則需要G極大于VIN；此時就需要自舉電容，利用電容兩端電壓不能突變，抬高G極電壓，保證上管導通。如上圖C69

為了改善EMI問題，通常會預留串接Rboot，如圖R317，前文已提過改善Buck的方法。

3、使能電路

如圖R316、R41構成分壓，可以調節上下電時間；同時增加C57和R316構成RC延時，可以減緩系統上電，在對時序要求比較高時可以通過調節電容來微調時序。

有的同學在設計時是直接把VIN接到使能腳，需要注意的是要看芯片規格書，有些芯片內部的使能腳是有穩壓管的，就不能直接接到VIN；

也有要求芯片上電時序軟件可控，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功能的則會內部上拉接到VIN

②通過主控的GPIO控制

③電阻分壓控制

④RC延時控制

⑤多電源協作，比如使用5V來使能3.3V的EN

4、取樣電路

DCDC芯片反饋網絡一般由兩個分壓電阻構成，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部的誤差放大器，與基準電壓作比較，從而實現占空比控制。

兩個電阻值大小會影響功耗、響應速度和噪聲敏感度，應該與規格書取樣電阻值相近。

部分系統為了降低整機功耗，通常會采用SVB技術，即動態調壓技術，在芯片上電過程中，對滿足場景的電壓值進行微調，從而降低功耗。如下圖：

R377和C323構成RC積分電路，將主控的PWM信號積分成直流電壓

R377要遠小于R376，否則會影響電壓調節范圍

圖7

FB信號經過取樣電阻后比較敏感，因此走線一定要避開干擾源如SW信號或其他高頻信號。

5、前饋電容

如圖C82電容，如果電路沒有此電容，反饋網絡由上述分壓電阻組成，當增加前饋電容后，反饋網絡引入一對低頻零點和高頻極點，可以提升電源的帶寬和響應速度，在針對后級突然負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惡化環路的相位裕量，因此需要測試環路穩定性。

6、RC吸收

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

7、補償電路

內部運放的輸入和輸出端需要有阻抗形成負反饋網絡，可以使用電容或者電阻加電容，改變穿越頻率點，破壞自激振蕩條件，有利于環路穩定性。

8、輸出LC

輸出電感儲能放電，與濾波電容構成Buck的基本拓撲，不做詳述。

**9、其他

**

部分芯片有調節開關頻率、IIC程控等功能

本文講了Buck基本原理、調制方式、芯片內部模塊以及外圍電路等內容，僅冰山一角，待持續更新。