解读升压电路(BOOST)与降压电路(BUCK)

2023-11-14

0.前言

DC-DC电源知识是硬件工程师笔试面试中必考内容，本文详细讲解DC-DC的基本拓扑结构之BUCK电源。干货较多，建议收藏慢慢品读！

以下问题都是硬件工程师笔试面试高频问题：

BUCK电源电路的基本结构是什么？[要求会画BUCK电路图]
BUCK电源的原理是什么？[要求懂得其降压原理]
电源纹波产生的根本原因是什么？[要求掌握DC-DC电源的电源纹波根本来源]
抑制电源纹波的几种常用方法有哪些？[要求了解电源纹波的抑制方法]
电源纹波的测量方法和注意事项有哪些？[要求会测量电源纹波]
DC-DC电路的PCB布局布线注意事项有哪些？[要求了解DC-DC电路的PCB布局]
DC-DC与LDO各自的优缺点及应用场合是什么？[会根据实际需求选型DC-DC与LDO]

1.DC-DC之BUCK电源

DC-DC电源，即直流-直流变换器，是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器。DC-DC有多种拓扑结构，如BUCK（降压）、BOOST（升压）、BUCK-BOOST（升降压）三大基本拓扑结构。其中BUCK电源即降压电源，实现降压输出，BUCK电源电路基本结构如下图所示：

BUCK电源电路基本结构

1.1 BUCK电源关键器件及其作用

关键器件有开关管S、电感L、电容C、二极管D。

开关管S：可以导通和关断电流，常见的开关管有三极管、MOSFET等。
电感L：可以将电能转换成磁能储存起来，也能将磁能转换为电能再次释放。需要注意：电感在储能和释能转换时，电感的正负极会发生反向。流经电感的电流不能突变，只能逐步变大或变小。
电容C：具有充放电功能，电容器两端电压高于外部电路电压时放电，反之充电。电容充放电不会发生正负极的反向。
二极管D：具有单向导电性，电流只能单向流过。在BUCK电路中，二极管D形成了续流回路，因此D也叫作续流二极管。

1.2 BUCK电源工作原理

一般通过PWM波“定频调宽”或PFM波“定宽调频”两种方式来控制开关管的导通与关断。常用PWM波控制，本文所述为PWM控制开关管的通断。

PWM波可用单片机产生，也可以使用PWM波专用芯片，如UC3842。

开关管S导通时电流回路

当PWM波控制开关管S导通时，图中红色回路为开关管导通时的回路。此时有下式成立：

电流开始从左边的电源Vin正极流出，流向负极。电流流经续流二极管D的负极不能通过，继续前进流经电感L，电感L将电能转换为磁能储存，电流继续前进流经电容C，电容C充电，电流继续流过负载R，回到电源Vin负极，整个电路通畅，输出端负载正常工作。

此时电感L的工作状态：此周期电感是左正右负，由于流过电感L的电流不能突变，所以负载R的电压是逐步增大的。

开关管S关断时电流回路

当PWM波控制开关管S关断时，图中红色回路为开关管关断时的回路。此时有下式成立：

当开关管S关断，电源Vin不再供电，电感L储存的磁能转换为电能释放，此时电感L的正负极反向（变成左负右正），电感L变成了电路里的电源。由于电流永远是从正极流向负极，所以形成了图中所示红色回路。此时续流二极管D正向导通，电感L释放的电流会逐步由大变小。

电容C的作用：当开关管S关断，电感L不能及时给负载R供电，此时电容C立马放电给负载R供电，电容C可以起到有效抑制电源纹波的作用。

斩波实现降压公式推导 Vout=DVin

从上式推导中可知，其中D为PWM波的占空比，占空比D的取值在0~1之间，因此实现了降压，这就是斩波实现降压的原理，可以通过改变PWM波的占空比D来控制降压的大小，如占空比为50%，则，即实现了输出比输入小一半，也就是降压了一半。

1.3 DC-DC的PCB设计布局布线注意事项

DC-DC的功率管脚应大面积铺铜皮较少电源的温升
根据载流原则处理好输入输出主回路（注意铺铜的通流能力和过孔的数量）
反馈线不能绕着电感L走
开关电源芯片及其电感下面尽量不要布其他信号线
二极管续流回路尽可能短
DC-DC芯片的散热焊盘上需打矩阵过孔作进一步散热处理
布局要紧凑，输入输出主干道采用“一”字型获“L”型布局方式
关键滤波电容的放置要合理，采用先大后小的布局原则
输出供电电源应从输出电容取电
对于多路输出的开关电源尽量使相邻的电感垂直分布（麦克斯韦定律磁场相互垂直可抵消干扰）

1.4 DC-DC与LDO的优缺点及选型

DC-DC优点：效率高，输入电压范围较宽，驱动力较强。
DC-DC缺点：负载响应比LDO差，输出纹波比LDO大。
LDO优点：负载响应快，稳定性好，输出纹波小。
LDO缺点：效率低，输入输出的电压差不能太大，驱动能力较小，负载不能太大。

在实际使用中，应综合考量上述优缺点来进行器件选型。

1.5 同等条件下DC-DC和LDO谁的体积更大？根本原因是什么？

同等条件下，LDO的体积更大。由于LDO的转换率更低，耗散功率更大，所以发热量更大，因此在设计时会考虑散热问题，所以其体积在其他条件相同时会相对DC-DC要大一些。

2.电源纹波产生的根本原因

随着开关管S的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与开关管S开关频率同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个，它与输出电容的容量和ESR有关系，纹波频率一般为几十到几百kHz。

简单来说，一般所认为的纹波产生的最根本原因就是由于开关管S的通断过程导致电源产生波动，其频率等于开关管S的开关频率。

3.电源纹波的测试方法

示波器探头档位选定：一般选定X1档；
示波器通道耦合方式设置：电源纹波是交流信号，因此设置AC耦合方式；
示波器带宽限制设置：一般设置为20MHz，滤除电源的高频噪声成分，测量得到的纹波更加精准。
接地方式：需要就近接地，这样纹波测量才会更加精准，并且需要把接地夹换成接地环。
示波器其他设置：适当调整水平时基、垂直档位、和垂直偏移，让纹波合适的显示在示波器的中间位置。
测量纹波：可以使用示波器的Measure功能自动测量纹波峰峰值和频率。也可使用垂直光标手动测量纹波峰峰值和频率。

4.电源纹波的常见抑制方法

提高开关管的开关频率。开关频率越高，纹波越小。
加大电感和输出电容滤波。根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。
二级滤波（即再加一级LC滤波器）。LC滤波器对纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成LC滤波电路，一般能够很好的减小纹波。

电源纹波的抑制方法很多，但每种方法都有它自身的优缺点，所以在设计时需要综合考量。

5.结语及拓展

特别是应届毕业生求职时，硬件岗大概率（99%）会考核DC-DC相关知识，本期给大家分享的只是DC-DC三大基本拓扑结构中的BUCK（降压）电源，关于BUCK电源，应届毕业生求职掌握本文内容就足够了。

此外DC-DC还有BOOST电源（升压）和BUCK-BOOST电源（升降压）两大拓扑结构。

本文暂且先把BOOST电源（升压）和BUCK-BOOST电源（升降压）两大拓扑结构的基本电路及原理公式给大家放在下方，供大家举一反三，学以致用。

拓展1：BOOST电源

BOOST电源电路基本结构和原理公式如下：

BOOST电源电路基本结构

BOOST（升压）原理公式

拓展2：BUCK-BOOST电源

BUCK-BOOST电源电路基本结构和原理公式如下：

BUCK-BOOST（升降压）电源电路基本结构

BUCK-BOOST（升降压）原理公式

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