Buck基本原理及调制方式
一、buck架构
1、异步buck
图1
如图1，异步buck由输入电容c1、开关管q1、储能电感l1、输出滤波电容c2、续流二极管d1和负载组成。
为了后面公式计算，我们在这里定义参数，文中均统一：输入电压vin、输出电压vout、电感电流il、电感电压vl、导通时间ton、截止时间toff、电感值l、开关频率fs、占空比d、开关周期为t
电路工作时，由pwm信号控制开关管q1导通和关闭；在开管q1导通时，续流二极管不导通，输入电压vin给电感l1储能，由滤波电容稳压；我们知道电感阻碍电流变化，根据楞次定律可知电感升压公式，电压vl=l*di/dt；此时电感两端电流vl=vin-vout，因此电感电流的变化率di/dt=l/(vin-vout)；可知q1导通时电感电流是线性增加的，斜率为l/(vin-vout)，是一个常数；
q1关闭时，电感中储存的能量通过续流二极管d1形成回路给负载继续供电；电感需要释放存储的能量，此时电感产生反电动势使得续流二极管导通，续流二极管的负极电压为-vd（电感左边节点），而电感右边节点是vout，因此电感两端电压vl=-vd-vout，同理，电感电流的变化率di/dt=l/(-vd-vout)；可知斜率是负的，电感电流线性减小。
开关电压、电感电流、开关电流以及二级管电流如下图所示：
图2
2、同步buck
图3
如图3，同步buck由两个mos开关、储能电感、以及输出滤波电容组成，电路工作时，由pwm信号控制两个mos管轮流交替导通，从而控制电感充放电，可以看出，与异步buck架构区别是同步buck使用mos开关替代续流二极管。
在pwm信号周期中，当q1导通，q2断开，输入电流从q1到电感充电，电感电压为vl=vin-vout，电感电流线性增加；
当q1断开，q2导通时，电感通过电容与q2形成放电回路，此时电感电压为vout。
同步buck的充放电过程的计算与异步buck类似，对应的电感、mos电压、电流波形此处不再赘述。
3、同步buck优缺点
优点
①毫无疑问，同步buck的效率高是其最大优点，异步buck在续流器件的损耗是iavd(平均电流与导通压降相乘)；而同步buck的续流损耗来源于mos的rdson，一般都是几毫欧~几十毫欧，按照i2r计算损耗也是远远小于异步buck；
②一般mos都是集成在芯片内部，不需要额外的pcb面积，layout工程师最爱。
缺点
①为了防止上下管同时导通的情况，需要对死区时间做控制，设计会比较复杂。
②同时，由于mos价格比二极管高，而且需要控制电路，所以成本高。
二、脉宽调制方式
开关电源是按照一定的开关模式，不断开启和关闭开关，即对应的调制模式，一般有pwm、pfm、pwm-pfm三种调制模式。
1、pwm调制
pwm是脉冲宽度调制（pulse width modulation），信号频率固定，改变的是占空比；pwm模式由误差放大器、锯齿波和比较器构成，误差放大器将输出反馈电压fb与基准电压差值放大，产生比较器需要的参考vref电压；信号发生器产生固定频率的锯齿波；比较器输入为锯齿波和参考电平vref，输出为vcc（开启电压））和gnd；而通过改变参考电压vref，即可改变占空比，如下图：
图4
pwm模式开关频率由锯齿波信号决定，占空比由前端反馈的误差电压信号决定，在重载工况效率比较高，输出纹波频率稳定，因此比较容易设计滤波电路。
但是在轻载工况下，效率较低，由于误差放大器的影响，在具有快速瞬态响应和高稳定性要求下需要有较好的补偿网络设计。
2、pfm调制
pfm是脉冲频率调制，信号占空比固定，改变的是信号频率。当电压输出电压较高时，关闭输出，输出电压较低时导通输出。
pfm模式静态功耗小，在不同工况下均有良好的效率，不过由于频率不固定，输出滤波器设计难度大，有emi问题，纹波较大，而且可能会有频率导致人耳能听到的噪音。控制电路相比pwm更加负载，成本较高。
三、芯片内部架构
图5
如上图是ti的tlv62130rgtr，从规格书里面截取的芯片内部框架，不同厂家的设计大同小异，以此为例：
1、功率模块
功率模块主要由上下mos管、mos管驱动搭配外围电路的输出储能电感、滤波电容、自举电容等组成。
2、反馈比较模块
反馈比较模块包含电压比较控制和电流控制，电压反馈是提取反馈电压fb与误差放大器的基准电压做差值放大，从而控制开关信号，从而稳定输出电压，同时某些芯片也会做输出过压/欠压保护；
电流反馈控制是用来做过流保护，同时也可以用来检测电感电流是否过零点，判断芯片是否进入轻载高效模式。
说到反馈比较模块不得不提到带隙基准，作为误差放大器的基准参考源，是由正温度系数和负温度系数的电路构成的基准电压，不受电压和温度影响，仅由bjt/mos的尺寸决定，主要是为其他电路提供稳定准确的参考源。详细原理请参考《模拟电子技术第六版-康华光版》第七章第一节关于电流源的讲解。
3、欠压保护
为了避免芯片工作在较低电压导致芯片异常，通常芯片会做输入欠压保护机制，当输入电压低于保护点时，芯片不进入工作状态。通常是使用迟滞比较器设置门槛保护点，从而控制开关逻辑。
4、过压保护
为了避免芯片工作在过高电压下工作导致芯片损坏，输入过压保护使芯片输入电压高于某一电压值时，芯片会关断输出进入过压保护状态，输入电压恢复到保护点以下再正常输出，不过如果输入电压过高，即使关断输出芯片也可能会损坏。
5、过流保护
为了避免sw引脚输出大电流损坏芯片，芯片会检测sw的最大电流，当ipeak触发过流保护点，芯片会关断输出，输出电压会下降；有些芯片会限制ipeak值，那么在负载增大时，电压也会下降。
6、过热保护
为了避免芯片由于温度过高损坏，当温度达到芯片保护点时，会触发热保护机制，关断sw引脚输出，温度降低后再恢复。一般是利用bjt的vbe温度特性和施密特触发器来设置保护点，从而控制开关逻辑。
7、软启动
软启动是用来控制芯片开始工作时输出电压的上升时间，测试取10%90%输出电压的上升时间，一般在500us10ms；可以保证系统容性负载较大的情况下，减小冲击电流保护芯片；部分芯片软启动时间可以通过硬件/软件修改，有的是固定不可调的；
8、en使能
一般是控制en引脚来控制芯片是否工作，本质是一个施密特触发器，使能电压高于门限电压，芯片工作。通常为了调节系统电压时序，可以通过调节并联电容调节时序。
四、外围电路
图6
如上图，是某buck芯片的应用电路设计，外围电路包含以下：
1、供电输入
vin输入脚需要保证不管芯片在什么状态下，输入电压都不得大于最高工作电压的80%，输入主要是输入电容，输入电容容值根据输入纹波电压、输出纹波电流等要求做计算，详细计算后文单独讨论；一般由低esr的mlcc电容大小搭配，以减小等效esr，并改善输入噪声；如上图c77、c78、c79、c80、c81，电容尽量靠近芯片引脚，尤其是高频电容。保证输入-芯片-功率地路径最短，一般铺铜走线。
2、自举电路
nmos主回路电流是d到s极，导通条件是vgs大于开启电压vth，主回路是s极到d极，导通条件是vsg小于vth；因此一般将pmos作为上管，vin接s极，g给低电压即可导通，而nmos作为下管，s极接地，只要给g极一定的电压即可导通；
但是现在很多芯片是用nmos作为上管，此时上管s极已经是vin，则需要g极大于vin；此时就需要自举电容，利用电容两端电压不能突变，抬高g极电压，保证上管导通。如上图c69
为了改善emi问题，通常会预留串接rboot，如图r317，前文已提过改善buck的方法。
3、使能电路
如图r316、r41构成分压，可以调节上下电时间；同时增加c57和r316构成rc延时，可以减缓系统上电，在对时序要求比较高时可以通过调节电容来微调时序。
有的同学在设计时是直接把vin接到使能脚，需要注意的是要看芯片规格书，有些芯片内部的使能脚是有稳压管的，就不能直接接到vin；
也有要求芯片上电时序软件可控，则可以把en连接到主控，使用软件控制。
综上，en脚一般有几种控制方式
①en直接悬空，芯片带有float to enable功能的则会内部上拉接到vin
②通过主控的gpio控制
③电阻分压控制
④rc延时控制
⑤多电源协作，比如使用5v来使能3.3v的en
4、取样电路
dcdc芯片反馈网络一般由两个分压电阻构成，如图r42、r313，vout通过电阻分压输入至芯片的fb引脚，此引脚是接到芯片内部的误差放大器，与基准电压作比较，从而实现占空比控制。
两个电阻值大小会影响功耗、响应速度和噪声敏感度，应该与规格书取样电阻值相近。
部分系统为了降低整机功耗，通常会采用svb技术，即动态调压技术，在芯片上电过程中，对满足场景的电压值进行微调，从而降低功耗。如下图：
r377和c323构成rc积分电路，将主控的pwm信号积分成直流电压
r377要远小于r376，否则会影响电压调节范围
图7
fb信号经过取样电阻后比较敏感，因此走线一定要避开干扰源如sw信号或其他高频信号。
5、前馈电容
如图c82电容，如果电路没有此电容，反馈网络由上述分压电阻组成，当增加前馈电容后，反馈网络引入一对低频零点和高频极点，可以提升电源的带宽和响应速度，在针对后级突然负载增加造成电压跌落的情况，可以合理使用此电容。不过前馈电容的增加会恶化环路的相位裕量，因此需要测试环路稳定性。
6、rc吸收
前文提过的rc吸收电路，抑制开关的电压浪涌，改善系统emi，上图电路没有添加，一般是rc加在sw引脚对地。
7、补偿电路
内部运放的输入和输出端需要有阻抗形成负反馈网络，可以使用电容或者电阻加电容，改变穿越频率点，破坏自激振荡条件，有利于环路稳定性。
8、输出lc
输出电感储能放电，与滤波电容构成buck的基本拓扑，不做详述。
**9、其他
**
部分芯片有调节开关频率、iic程控等功能
本文讲了buck基本原理、调制方式、芯片内部模块以及外围电路等内容，仅冰山一角，待持续更新。
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图1
如图1，异步buck由输入电容c1、开关管q1、储能电感l1、输出滤波电容c2、续流二极管d1和负载组成。
为了后面公式计算，我们在这里定义参数，文中均统一：输入电压vin、输出电压vout、电感电流il、电感电压vl、导通时间ton、截止时间toff、电感值l、开关频率fs、占空比d、开关周期为t
电路工作时，由pwm信号控制开关管q1导通和关闭；在开管q1导通时，续流二极管不导通，输入电压vin给电感l1储能，由滤波电容稳压；我们知道电感阻碍电流变化，根据楞次定律可知电感升压公式，电压vl=l*di/dt；此时电感两端电流vl=vin-vout，因此电感电流的变化率di/dt=l/(vin-vout)；可知q1导通时电感电流是线性增加的，斜率为l/(vin-vout)，是一个常数；
q1关闭时，电感中储存的能量通过续流二极管d1形成回路给负载继续供电；电感需要释放存储的能量，此时电感产生反电动势使得续流二极管导通，续流二极管的负极电压为-vd（电感左边节点），而电感右边节点是vout，因此电感两端电压vl=-vd-vout，同理，电感电流的变化率di/dt=l/(-vd-vout)；可知斜率是负的，电感电流线性减小。
开关电压、电感电流、开关电流以及二级管电流如下图所示：
图2
2、同步buck
图3
如图3，同步buck由两个mos开关、储能电感、以及输出滤波电容组成，电路工作时，由pwm信号控制两个mos管轮流交替导通，从而控制电感充放电，可以看出，与异步buck架构区别是同步buck使用mos开关替代续流二极管。
在pwm信号周期中，当q1导通，q2断开，输入电流从q1到电感充电，电感电压为vl=vin-vout，电感电流线性增加；
当q1断开，q2导通时，电感通过电容与q2形成放电回路，此时电感电压为vout。
同步buck的充放电过程的计算与异步buck类似，对应的电感、mos电压、电流波形此处不再赘述。
3、同步buck优缺点
优点
①毫无疑问，同步buck的效率高是其最大优点，异步buck在续流器件的损耗是iavd(平均电流与导通压降相乘)；而同步buck的续流损耗来源于mos的rdson，一般都是几毫欧~几十毫欧，按照i2r计算损耗也是远远小于异步buck；
②一般mos都是集成在芯片内部，不需要额外的pcb面积，layout工程师最爱。
缺点
①为了防止上下管同时导通的情况，需要对死区时间做控制，设计会比较复杂。
②同时，由于mos价格比二极管高，而且需要控制电路，所以成本高。
二、脉宽调制方式
开关电源是按照一定的开关模式，不断开启和关闭开关，即对应的调制模式，一般有pwm、pfm、pwm-pfm三种调制模式。
1、pwm调制
pwm是脉冲宽度调制（pulse width modulation），信号频率固定，改变的是占空比；pwm模式由误差放大器、锯齿波和比较器构成，误差放大器将输出反馈电压fb与基准电压差值放大，产生比较器需要的参考vref电压；信号发生器产生固定频率的锯齿波；比较器输入为锯齿波和参考电平vref，输出为vcc（开启电压））和gnd；而通过改变参考电压vref，即可改变占空比，如下图：
图4
pwm模式开关频率由锯齿波信号决定，占空比由前端反馈的误差电压信号决定，在重载工况效率比较高，输出纹波频率稳定，因此比较容易设计滤波电路。
但是在轻载工况下，效率较低，由于误差放大器的影响，在具有快速瞬态响应和高稳定性要求下需要有较好的补偿网络设计。
2、pfm调制
pfm是脉冲频率调制，信号占空比固定，改变的是信号频率。当电压输出电压较高时，关闭输出，输出电压较低时导通输出。
pfm模式静态功耗小，在不同工况下均有良好的效率，不过由于频率不固定，输出滤波器设计难度大，有emi问题，纹波较大，而且可能会有频率导致人耳能听到的噪音。控制电路相比pwm更加负载，成本较高。
三、芯片内部架构
图5
如上图是ti的tlv62130rgtr，从规格书里面截取的芯片内部框架，不同厂家的设计大同小异，以此为例：
1、功率模块
功率模块主要由上下mos管、mos管驱动搭配外围电路的输出储能电感、滤波电容、自举电容等组成。
2、反馈比较模块
反馈比较模块包含电压比较控制和电流控制，电压反馈是提取反馈电压fb与误差放大器的基准电压做差值放大，从而控制开关信号，从而稳定输出电压，同时某些芯片也会做输出过压/欠压保护；
电流反馈控制是用来做过流保护，同时也可以用来检测电感电流是否过零点，判断芯片是否进入轻载高效模式。
说到反馈比较模块不得不提到带隙基准，作为误差放大器的基准参考源，是由正温度系数和负温度系数的电路构成的基准电压，不受电压和温度影响，仅由bjt/mos的尺寸决定，主要是为其他电路提供稳定准确的参考源。详细原理请参考《模拟电子技术第六版-康华光版》第七章第一节关于电流源的讲解。
3、欠压保护
为了避免芯片工作在较低电压导致芯片异常，通常芯片会做输入欠压保护机制，当输入电压低于保护点时，芯片不进入工作状态。通常是使用迟滞比较器设置门槛保护点，从而控制开关逻辑。
4、过压保护
为了避免芯片工作在过高电压下工作导致芯片损坏，输入过压保护使芯片输入电压高于某一电压值时，芯片会关断输出进入过压保护状态，输入电压恢复到保护点以下再正常输出，不过如果输入电压过高，即使关断输出芯片也可能会损坏。
5、过流保护
为了避免sw引脚输出大电流损坏芯片，芯片会检测sw的最大电流，当ipeak触发过流保护点，芯片会关断输出，输出电压会下降；有些芯片会限制ipeak值，那么在负载增大时，电压也会下降。
6、过热保护
为了避免芯片由于温度过高损坏，当温度达到芯片保护点时，会触发热保护机制，关断sw引脚输出，温度降低后再恢复。一般是利用bjt的vbe温度特性和施密特触发器来设置保护点，从而控制开关逻辑。
7、软启动
软启动是用来控制芯片开始工作时输出电压的上升时间，测试取10%90%输出电压的上升时间，一般在500us10ms；可以保证系统容性负载较大的情况下，减小冲击电流保护芯片；部分芯片软启动时间可以通过硬件/软件修改，有的是固定不可调的；
8、en使能
一般是控制en引脚来控制芯片是否工作，本质是一个施密特触发器，使能电压高于门限电压，芯片工作。通常为了调节系统电压时序，可以通过调节并联电容调节时序。
四、外围电路
图6
如上图，是某buck芯片的应用电路设计，外围电路包含以下：
1、供电输入
vin输入脚需要保证不管芯片在什么状态下，输入电压都不得大于最高工作电压的80%，输入主要是输入电容，输入电容容值根据输入纹波电压、输出纹波电流等要求做计算，详细计算后文单独讨论；一般由低esr的mlcc电容大小搭配，以减小等效esr，并改善输入噪声；如上图c77、c78、c79、c80、c81，电容尽量靠近芯片引脚，尤其是高频电容。保证输入-芯片-功率地路径最短，一般铺铜走线。
2、自举电路
nmos主回路电流是d到s极，导通条件是vgs大于开启电压vth，主回路是s极到d极，导通条件是vsg小于vth；因此一般将pmos作为上管，vin接s极，g给低电压即可导通，而nmos作为下管，s极接地，只要给g极一定的电压即可导通；
但是现在很多芯片是用nmos作为上管，此时上管s极已经是vin，则需要g极大于vin；此时就需要自举电容，利用电容两端电压不能突变，抬高g极电压，保证上管导通。如上图c69
为了改善emi问题，通常会预留串接rboot，如图r317，前文已提过改善buck的方法。
3、使能电路
如图r316、r41构成分压，可以调节上下电时间；同时增加c57和r316构成rc延时，可以减缓系统上电，在对时序要求比较高时可以通过调节电容来微调时序。
有的同学在设计时是直接把vin接到使能脚，需要注意的是要看芯片规格书，有些芯片内部的使能脚是有稳压管的，就不能直接接到vin；
也有要求芯片上电时序软件可控，则可以把en连接到主控，使用软件控制。
综上，en脚一般有几种控制方式
①en直接悬空，芯片带有float to enable功能的则会内部上拉接到vin
②通过主控的gpio控制
③电阻分压控制
④rc延时控制
⑤多电源协作，比如使用5v来使能3.3v的en
4、取样电路
dcdc芯片反馈网络一般由两个分压电阻构成，如图r42、r313，vout通过电阻分压输入至芯片的fb引脚，此引脚是接到芯片内部的误差放大器，与基准电压作比较，从而实现占空比控制。
两个电阻值大小会影响功耗、响应速度和噪声敏感度，应该与规格书取样电阻值相近。
部分系统为了降低整机功耗，通常会采用svb技术，即动态调压技术，在芯片上电过程中，对满足场景的电压值进行微调，从而降低功耗。如下图：
r377和c323构成rc积分电路，将主控的pwm信号积分成直流电压
r377要远小于r376，否则会影响电压调节范围
图7
fb信号经过取样电阻后比较敏感，因此走线一定要避开干扰源如sw信号或其他高频信号。
5、前馈电容
如图c82电容，如果电路没有此电容，反馈网络由上述分压电阻组成，当增加前馈电容后，反馈网络引入一对低频零点和高频极点，可以提升电源的带宽和响应速度，在针对后级突然负载增加造成电压跌落的情况，可以合理使用此电容。不过前馈电容的增加会恶化环路的相位裕量，因此需要测试环路稳定性。
6、rc吸收
前文提过的rc吸收电路，抑制开关的电压浪涌，改善系统emi，上图电路没有添加，一般是rc加在sw引脚对地。
7、补偿电路
内部运放的输入和输出端需要有阻抗形成负反馈网络，可以使用电容或者电阻加电容，改变穿越频率点，破坏自激振荡条件，有利于环路稳定性。
8、输出lc
输出电感储能放电，与滤波电容构成buck的基本拓扑，不做详述。
**9、其他
**
部分芯片有调节开关频率、iic程控等功能
本文讲了buck基本原理、调制方式、芯片内部模块以及外围电路等内容，仅冰山一角，待持续更新。
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为什么磁盘是从C开始分配的
PCB经典设计流程是怎样的
TKScope嵌入式仿真开发平台讲座
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