在之前的文章 DCDC 降壓芯片基本原理及選型主要參數介紹中已經大致講解了 dcdc 降壓電路的工作原理，今天再結合仿真將 buck 電路工作過程講一講。

基本拓撲

buck基本拓撲

上圖為 buck 電路的基本拓撲結構，開關打到 1，電感充電；開關打到 0，電感放電。通常認為電感和電容都是儲能元件，但是電感的充放電是有能量形式的轉換的，充電時電場 → 磁場，放電時磁場 → 電場。

接下來，我們結合仿真來看看 buck 電路的具體工作過程。

原理圖

在 kicad 中建立仿真原理圖：

原理圖

V2 是直流電壓源；Q1 是 PMOS；Q2 是 NMOS；V1 是脈沖電壓源，用它來做 PWM 控制信號；C1 是輸入電容；C2 是輸出電容；L1 是儲能電感；R1 是負載電阻。

從圖中可以看到，我們將 PWM 頻率設置為 1MHz，以便使用更小的電感進行仿真。

仿真工作過程

1. 啟動

我們先進行 10us 的瞬態仿真，看下前 10 個周期的波形：

10us波形

紅線是 PWM 波形，當 PWM 為低電平時，Q1 開啟，Q2 關閉，電感 L1 充電，可以看到，隨著輸出電容 C2 電壓的升高，L1 的充電電流在變緩，其斜率為：

VC1為輸入電壓，5V，不變； VC2為輸出電壓，在不斷上升，所以 L1 的充電電流斜率在減小。

當 PWM 為高電平時，Q1 關閉，Q2 開啟，電感 L1 放電，放電電流斜率為：

所以隨著 C2 電壓的升高，電感放電電流斜率在增大。

而在這 10 個周期中，電感電流幾乎都流向 C2，給 C2 充電。

2. 100 個周期

把時間增大到 100us，即 100 個周期：

100us波形

為了讓負載電阻的電流更加明顯，已經將 R1 從 500Ω 變為 5Ω。

出現振蕩波形了，輸出電壓在衰減振蕩，這主要是因為沒有反饋環路進行控制，并且仿真的電路是同步整流，Q2 是雙向導通的。但是可以看到輸出電壓和負載電流都是衰減振蕩，可以合理想象，仿真時間繼續延長，它們一定會趨于一個固定值，達到穩態。

我們先把 Q2 換成二極管來試一下：

Q2換成二極管

Q2換成二極管100us

果然不再振蕩了，當電感電流降到接近 0 時，不會再反向，而是再次逐漸充電。

但這不是我們想要的結果，我們繼續在前面的原理圖上想辦法。仿真原理圖中，L1 是一個近似理想電感，我們可以加一個電阻來增大阻尼：

增加阻尼

增加阻尼100us

這樣輸出電壓就會快速收斂。但是這個串聯電阻設為 1Ω，跟負載電阻的 5Ω 已經是同一數量級，從仿真結果上也可以看到，這時輸出電壓趨于 2.5V，其實就是 5 × 60% × 5 ÷ （1 + 5）= 2.5V。實際上，DCDC 降壓芯片基本原理及選型主要參數介紹這篇文章中的設計實例，使用的電感 ESR 在 150mΩ 到 200mΩ。

3. 穩態

將電感串聯電阻 R2 設為 100mΩ，仿真 500us：

100mΩ 500us

差不多在 300us，輸出電壓和負載電流不再變化。我們推導下輸出電壓和輸入電壓的關系：

設輸入電壓為Vi ，輸出電壓為 Vo，

當電路達到穩態時：

穩態

假設電感充放電過程沒有損耗，設充電時間為 ，即上圖中電感電流上升的時間t1；放電時間為t2 ，即上圖中電感電流下降時間，則由能量守恒：

在穩態時，電感充電平均電流與放電平均電流相等，則有：

這就是電感的伏秒積守恒，進而可得：

其實從上面的電感電流波形出發，也不難推導出上式。

dcdc 降壓芯片中，通過給 PWM 控制器引入反饋實現當輸出負載或輸入電壓變化時能夠保持輸出電壓穩定不變，反饋環路的設計是控制器的核心。