Buck电源工作原理详解
buck电源拓扑结构如图1所示，电压和电流极性如图2所示。buck电源工作原理如下：1.开关管sw开通时，二极管d反向偏置而截止，二极管电流id=0，输入电压经过电感给负载rl供电，同时电感和电容储能，电感电流il逐渐增大，如图1中蓝色环路所示；2.开关管sw关断时，开关管电流it=0，电感由于自身的自感电动势，通过二极管d续流，继续给负载rl供电，电感电流il逐渐减小，如图1中红色环路所示。工作过程中，开关管以很高的频率（一般为几十khz到mhz的量级）不断地重复开通和关断。
图1
图2
根据能量守恒，在稳态条件下，电感两端电压在一个开关周期内的平均值为0，即伏秒平衡原理。根据电感电流在一个开关周期内是否连续，有三种工作模式，分别是ccm连续电流模式，bcm临界电流模式和dcm不连续电流模式，如图3所示。
图3
1. ccm连续电流模式
根据伏秒平衡原理，ccm模式在稳态情况下，开通周期d*t内，电感电压为（vin-vout）；关断周期（1-d）*t内，电感电压为vout，前后两者乘积相等，即：
（vin-vout）dt=vout（1-d）t，
其中，d为占空比，t为开关周期，vin为输入电压，vout为输出电压，可以得到：
vout/vin=d。
由此可见ccm模式下传递函数等于占空比，且和负载电流无关。
ccm模式下的各波形如图4所示，从中可知电感电流不会为0。在开关管sw导通期间，开关管电流it从某个不为0的值开始上升，直到sw关断时达到最大值。根据公式u=l*di/dt可得，电流变化率di/dt=u/l，因此sw导通期间内的电流变化率为（vin-vout）/l，在此期间二极管电流id为0；在开关管sw关断期间，二极管电流id开始下降，直到sw重新导通时达到最小值，同理可得电流变化率为vout/l，在此期间开关管电流为0。在整个开关导通和关断的周期内，开关管电流it和二极管电流id组合起来就是电感的电流il。
在开关管sw导通期间，sw点的电压等于输入电压vin；在开关管sw关断期间为0（忽略二极管和开关管的压降）。开关管sw导通期间，电感左端为输入电压vin，电感右端为输出电压vout，因此电感两端电压为（vin-vout）；在开关管sw关断期间，电感左端电压为0，右端为输出电压vout，电感两端电压为（-vout）。
图4
以一个12v转5v的buck电路为例，测量得到sw引脚的电压波形，如图5所示，可以发现在开关管闭合和断开时，sw处都有一个很大的尖峰，对应的电流波形也会有类似的情况，对图中红圈处的尖峰展开可以发现伴有振荡现象，如图6和图7所示。这是由于二极管或者同步管的寄生电容，以及电路的寄生电感共同造成，**寄生电感不能瞬变的电流对电容进行充电造成电压尖峰和电流尖峰，而振荡是由于电感电容lc谐振造成的。**因此，一般会在二极管或者同步管两端并联一个rc吸收电路来解决这个问题。ti的lm25116芯片建议的rc吸收电路的电阻取值在5~50r之间，电容取几个nf级别。
图5
图6
图7
2. dcm不连续电流模式
随着负载电流不断下降，电感将进入dcm模式，此时传递函数、电流和电压波形将发生很大变化，该模式下的输出电流纹波也比ccm模式大。因此要想维持电感在ccm模式下，有最小负载电流值的要求。
稳态情况下，根据伏秒平衡原理有：
（vin-vout）d1t=voutd2t，得：
vout/vin=d1/(d1+d2)。
开关管导通，二极管截止的时间长度为d1t；开关管截止，二极管导通的时间长度为d2t；开关管和二极管都截止的时间长长度为（1-d1-d2）*t，d2与电路参数有关。dcm模式下的各波形如图8所示，从图中可知电感电流在某段时间内为0，此时负载电流由电容负责提供。
图8
从图中可以发现电感电压存在振荡现象，振荡时间长短与电阻阻尼有关。下面分析原因。从电感电流波形可以看出，当电流下降到0时，续流二极管截止，此时电感左端开路。理论上，电感没有电流通过时，电感左右两端电压应该相等，即电感左端电压也应该等于vout。但实际上由于续流二极管两端存在寄生电容，还有电阻的存在，因此相当于和恒压源vout一起形成了rlc串联阻尼谐振。为何ccm模式不会产生振荡，因为电感电流不会下降到0，一直维持固定的电流方向，而lc谐振时充放电电流方向需要反复变化，该条件无法满足，因此不会发生lc谐振。实际测试到lv2843芯片的dcm模式下sw点的电压波形如图9所示，该电路由于设计时电感偏小，因此振荡较强。振荡波形的时间长度随电感值的增大可以在某种程度上相应减小。负载电流越小，电感越小，就越容易进入dcm工作模式。
图9
虽然buck电路在dcm模式下也保持了输出电压恒定不变，但是电路状态和ccm模式相比却不同。在ccm模式下，输出电压vout=vin*d，与负载电流无关，即使负载发生变化，占空比也不会改变。在dcm模式下，根据小信号模型可以得到传递函数如下式所示，r为负载。根据该公式可以看出，开关管的占空比d将随着负载电流的减小而减小。
这个公式并不需要我们去记忆，只是帮助我们更好地理解dcm模式下的电路工作状态。
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碎片整理对于不同硬盘有何作用呢?
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图1
图2
根据能量守恒，在稳态条件下，电感两端电压在一个开关周期内的平均值为0，即伏秒平衡原理。根据电感电流在一个开关周期内是否连续，有三种工作模式，分别是ccm连续电流模式，bcm临界电流模式和dcm不连续电流模式，如图3所示。
图3
1. ccm连续电流模式
根据伏秒平衡原理，ccm模式在稳态情况下，开通周期d*t内，电感电压为（vin-vout）；关断周期（1-d）*t内，电感电压为vout，前后两者乘积相等，即：
（vin-vout）dt=vout（1-d）t，
其中，d为占空比，t为开关周期，vin为输入电压，vout为输出电压，可以得到：
vout/vin=d。
由此可见ccm模式下传递函数等于占空比，且和负载电流无关。
ccm模式下的各波形如图4所示，从中可知电感电流不会为0。在开关管sw导通期间，开关管电流it从某个不为0的值开始上升，直到sw关断时达到最大值。根据公式u=l*di/dt可得，电流变化率di/dt=u/l，因此sw导通期间内的电流变化率为（vin-vout）/l，在此期间二极管电流id为0；在开关管sw关断期间，二极管电流id开始下降，直到sw重新导通时达到最小值，同理可得电流变化率为vout/l，在此期间开关管电流为0。在整个开关导通和关断的周期内，开关管电流it和二极管电流id组合起来就是电感的电流il。
在开关管sw导通期间，sw点的电压等于输入电压vin；在开关管sw关断期间为0（忽略二极管和开关管的压降）。开关管sw导通期间，电感左端为输入电压vin，电感右端为输出电压vout，因此电感两端电压为（vin-vout）；在开关管sw关断期间，电感左端电压为0，右端为输出电压vout，电感两端电压为（-vout）。
图4
以一个12v转5v的buck电路为例，测量得到sw引脚的电压波形，如图5所示，可以发现在开关管闭合和断开时，sw处都有一个很大的尖峰，对应的电流波形也会有类似的情况，对图中红圈处的尖峰展开可以发现伴有振荡现象，如图6和图7所示。这是由于二极管或者同步管的寄生电容，以及电路的寄生电感共同造成，**寄生电感不能瞬变的电流对电容进行充电造成电压尖峰和电流尖峰，而振荡是由于电感电容lc谐振造成的。**因此，一般会在二极管或者同步管两端并联一个rc吸收电路来解决这个问题。ti的lm25116芯片建议的rc吸收电路的电阻取值在5~50r之间，电容取几个nf级别。
图5
图6
图7
2. dcm不连续电流模式
随着负载电流不断下降，电感将进入dcm模式，此时传递函数、电流和电压波形将发生很大变化，该模式下的输出电流纹波也比ccm模式大。因此要想维持电感在ccm模式下，有最小负载电流值的要求。
稳态情况下，根据伏秒平衡原理有：
（vin-vout）d1t=voutd2t，得：
vout/vin=d1/(d1+d2)。
开关管导通，二极管截止的时间长度为d1t；开关管截止，二极管导通的时间长度为d2t；开关管和二极管都截止的时间长长度为（1-d1-d2）*t，d2与电路参数有关。dcm模式下的各波形如图8所示，从图中可知电感电流在某段时间内为0，此时负载电流由电容负责提供。
图8
从图中可以发现电感电压存在振荡现象，振荡时间长短与电阻阻尼有关。下面分析原因。从电感电流波形可以看出，当电流下降到0时，续流二极管截止，此时电感左端开路。理论上，电感没有电流通过时，电感左右两端电压应该相等，即电感左端电压也应该等于vout。但实际上由于续流二极管两端存在寄生电容，还有电阻的存在，因此相当于和恒压源vout一起形成了rlc串联阻尼谐振。为何ccm模式不会产生振荡，因为电感电流不会下降到0，一直维持固定的电流方向，而lc谐振时充放电电流方向需要反复变化，该条件无法满足，因此不会发生lc谐振。实际测试到lv2843芯片的dcm模式下sw点的电压波形如图9所示，该电路由于设计时电感偏小，因此振荡较强。振荡波形的时间长度随电感值的增大可以在某种程度上相应减小。负载电流越小，电感越小，就越容易进入dcm工作模式。
图9
虽然buck电路在dcm模式下也保持了输出电压恒定不变，但是电路状态和ccm模式相比却不同。在ccm模式下，输出电压vout=vin*d，与负载电流无关，即使负载发生变化，占空比也不会改变。在dcm模式下，根据小信号模型可以得到传递函数如下式所示，r为负载。根据该公式可以看出，开关管的占空比d将随着负载电流的减小而减小。
这个公式并不需要我们去记忆，只是帮助我们更好地理解dcm模式下的电路工作状态。
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浅析基于Fluent的二自由度圆柱涡激振动数值模拟与应用
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