详解三种适合于低占空比、基于飞轮电容的BUCK变换器结构

相对于电压模式的 Buck 变换器，尽管电流模式的 Buck 变换器需要精密的电流检测电阻并且这会影响到系统的效率和成本，但电流模式的 Buck 变换器仍然获得更为广泛的应用，这是因为其具有以下的优点：

①反馈内在 cycle-by-cycle峰值限流;

②电感电流真正的软起动特性;

③精确的电流检测环;

④输出电压与输入电压无关，一阶的系统容易设计反馈环，系统的稳定余量大稳定性好，对于所有陶冶电容容易补偿;

⑤易实现多相位/多变换器的并联操作得到更大输出电流;

⑥允许大的输入电压纹波从而减小输入滤波电容。对于电流模式的 Buck 变换器，电流的取样电阻有三种不同的放置方式：

①放置在输入回路即与高端主开关管相串联;

②放置在输出回路即与电感相串联;

③放置在续流回路即与续流的二极管或同步开关管相串联。有时候为了提高效率，可以取消外加的取样电阻，用高端主开关管的导通电阻、电感 DCR 或续流同步开关管的导通电阻作电流取样电阻。

本文将详细的阐述这些问题并比较它们各自的优缺点，从而使电源工程师有针对性的选取不同的架构来满足实际的应用要求。

飞轮电容的工作原理类似于充电泵电容，可以实现如下功能:

(1)叠加在浮动电压上实现升压，如叠加在BUCK、BOOST变换器开关节点SW的电容。

(2)实现升降压功能，如SEPIC电路的主功率回路电容。

(3)实现负压功能，如CUK电路的主功率回路电容。

如果将飞轮电容串联在BUCK电路的主回路，输入电压通过飞轮电容加到输出电感，由于电容相当于一个电压源，那么，电感两端所加的电压为：Vin –Vc –Vo，相比Vin –Vo，电压降低很多，就可以实现这种低占空比的应用，同时还可以提高效率，下面分别介绍这三种飞轮结构的BUCK变换器。

Buck电路的工作分为两个主要阶段：开关开启阶段和开关关闭阶段。

开关开启阶段

在这个阶段，开关元件处于导通状态，输入电压Vin通过开关直接加到电感L上。此时，电感上的电流逐渐增加，电能储存在电感的磁场中。同时，电容C开始充电，输出电压Vout上升，向负载提供能量。飞轮二极管在此阶段处于反向偏置状态，因此不导通。

开关关闭阶段

当开关元件关闭时，电感L产生的反向电动势使得二极管导通，电感中的电流通过二极管流动，维持输出电流的连续性。在此阶段，电感释放储存的能量到负载，电感电流逐渐减小。同时，电容C也开始放电，帮助维持输出电压的稳定。

控制方式

Buck电路通常采用脉宽调制(PWM)的方式来控制开关元件的开启与关闭。通过调整PWM信号的占空比，即开关元件在每个周期内的开启时间与总周期的比例，可以精确控制输出电压的平均值。增大占空比会使输出电压升高，减小占空比则会使输出电压降低。

性能特点与应用

Buck电路具有结构简单、效率高、易于控制等特点。由于其高效的电源转换能力，广泛应用于各种电子设备中，如笔记本电脑的适配器、电动汽车的电池管理系统、以及可再生能源系统中的电力调节。

Buck电路是一种基础且非常重要的电力电子电路，它通过简单的开关控制实现了高效的降压转换。理解其工作原理对于电力电子技术的学习和应用具有重要意义。