降压型开关电源——BUCK工作原理

一、基本工作原理

在最基础的降压型开关电源里，就像图中所展示的电路结构。当开关（对应图中U1）闭合时，电流从VIN流入，经过电阻R1等元件，VOUT电压会缓慢上升。随着时间推移，当VOUT电压达到我们期望得到的电压大小时，我们迅速将开关断开，此时由于电容C1的储能作用，电压能够稳定在理想的电压值。一旦在输出端施加一个电阻（或者其他类型的负载），当开关断开后，负载会消耗电容C1存储的电能，导致电压逐渐降低。为了维持输出电压稳定在目标值附近，我们需要不断地开断开关。如此一来，电压就会在我们想要得到的电压值上下小幅度浮动，通过这种周期性的开关动作，实现对输出电压的动态调节与近似稳定输出。

我们通过改变R1和C2的大小（充电时间=R×C）可以改变电压上升的趋势。如同所示，我们通过不断的开断开关，那么所得到的电压就能维持于某一值左右。但是R1电阻会对我们的电路转换效率造成很大的影响，耗能会提高。

因此我们将这个R1的电阻换成一个电感，因为电感不耗能，且流过电感的电流不会突变。但是电感存在一个非常大的问题，当开关断开时电感两端的电压会发生突变，因此我们需要在电感前加一个续流二极管。

降压式（Buck）变换器作为一种非隔离直流变换器，其输出电压小于或等于输入电压。该变换器的主电路主要由开关、续流二极管、输出滤波电感以及输出滤波电容组成。

我们平常使用的DC-DC降压芯片在电路中的作用就是相当于U1的开关，控制开关的关闭从而来控制电压的大小。其内部包含一个或多个开关元件（如MOSFET）。这些开关元件会以一定的频率进行导通和关断操作，通过控制开关的占空比（导通时间与周期的比值）来调节输出电压的大小。从这个角度看，开关是DCDC降压芯片实现降压功能的核心动作部件。

二、同步Buck和异步Buck

2.1 异步Buck

当开关管导通时，输入电压加在电感上，电感电流上升，电能存储在电感中，同时向负载供电并给电容充电；当开关管关断时，电感产生反向电动势，续流二极管导通，电感通过二极管向负载释放能量，电感电流下降。由于电路只需要一个开关管和一个二极管，电路元件较少，成本相对较低。二极管的价格相对便宜，尤其是普通硅二极管。

续流二极管存在正向导通压降，一般硅二极管的正向压降约为0.7V，肖特基二极管约为0.3~0.5V。在电流较大时，二极管的导通损耗会比较大，导致效率相对较低，尤其是在低输出电压、大电流的应用场景下。适用于对效率要求不高、输出电流较小、成本敏感的应用场景，如一些小型电子产品的电源模块。

2.2 同步Buck

高侧开关管导通时，输入电压加在电感上，电感电流上升；高侧开关管关断时，低侧开关管导通，为电感提供续流路径，电感电流下降。通过控制两个开关管的导通和关断时间，实现输出电压的调节。电路需要两个开关管，并且需要更复杂的驱动电路来控制两个开关管的交替导通和关断，因此成本较高。不过，随着MOSFET价格的下降，两者的成本差距在逐渐缩小。

用MOSFET替代续流二极管，MOSFET的导通电阻通常很小，导通损耗也较小，因此在相同条件下，同步Buck的效率更高，更适合低输出电压、大电流的应用。适用于对效率要求较高、输出电流较大的应用场景，如计算机主板、服务器电源、便携式电子设备等。