BUCK拓扑

对于线性变化器，比如说很经典的7805线性稳压器，就是让电流直接流过芯片内的晶体管，而由于晶体管内部是存在一定的电阻的，所以一定会造成损耗，如果说电流持续的流过电阻，那么肯定会持续的发热，造成很严重的损耗，那么如果说电流是一会儿流过晶体管，一会儿不流过晶体管，将能量一段一段的传输过去，假如我们把这一会儿的时间称为开关频率，那么对它取极限，那么可以发现在不断的开关中，能量的损耗会变得十分小，所以开关电源在效率方面，相比线性电源有着不可比拟的优势。

开关变换器是将一串连续的能量分成一个又一个能量包的形式输出给负载的，我们目前的开关电源拓扑之中，DC-DC非隔离式拓扑最经典的就是BUCK拓扑，它是一个将电压转换成电流(高压低电流输入，低压高电流输出)的一种转换器。为了入门整个开关电源的大框架中，BUCK拓扑都是不得不完全了解的，在这篇文章中，我将会以最简单的方式讲明白BUCK拓扑的基本原理，是基于multisim软件实现的拓扑仿真。

另外，在此文章中，有一些数值会取的十分夸张，目的仅仅是定性了解原理，在现实中并不会这样设计。

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对于BUCK拓扑，我们首先可以这样绘制一个电路：

在开关导通的时候，R3有电压，开关断开的时候，R3是没有电压的。那么在开关不断导通关断的时候，负载得到的电压也就是一个方波形式的电压。

由于机械开关的速度是不可能很快的，开关频率高不了，所以我们将它切换成MOS管，也就是半导体开关，通过PWM方波信号来让MOS管不断地打开或关断，则此时电路图如下(此部分需要注意：MOS管完全导通电压我是不知道的，所以直接给PWM信号的幅值一个比较大的数值)：

输出的波形如下：

由波形图可以知道，如果让MOS管作为开关一直开关，就可以让负载不断得到高电压和低电压，并且MOS管并非理想MOS管，所以并不是最完美的方波。输出电压非连续并且会有一定的尖峰数值，我们研究原理，先不追究这些。既然现实中MOS管的开关会导致输出的波形有尖峰电压，而且电压从0升到高电压的时间特别短，再者对于负载而言，得到的电压是方波肯定不行的，为了让输出电压的波形更加平滑，我们就在负载前面加入一个电感。电路图如下（电感跟频率我选的十分夸张，是为了演示才这样取值的）：

输出的波形图如下：

（白色的波形是电流的波形）

可以发现此时电压的波形将会变成这样，我们将它分为2个部分，也就是电压上升的部分和电压下降的部分。

在MOS管导通之后，电感会产生短暂的反向电动势，抵抗电压的上升，在反向电动势存在这段时间之后(这段时间特别短)就进入了这段正常电压波形了，那么电压上升的时候，由于需要给电感充能，因此输出电压是慢慢上升的，是有一定斜率的，并且由于电感量过大，实际上并没有充满电的，此时等电压上升到一定数值的时候，MOS管关断，此时电感放电，电压下降，相对于方波而言，是及其慢的，但相对于电压上升阶段那段时间而言，则是十分快速的，这段时间已经足够电感将所有能量释放完了，在电感的能量释放完了，电压下降到0之后，就等待下一次MOS管导通。

那么此时我们可以发现，在电感放电的时候，实际上是无法形成回路的，有可能会往左边冲击到MOS管，甚至损坏它，那么此时为了和负载形成回路，让所有的电流只在二极管—>电感—>负载之间流动，并保护MOS管，我们就需要一个续流二极管，电路图如下：

输出波形如下：

我们可以发现，此时输出电压是不能连续的，之前说过，负载得到的电压是方波肯定是不可以的，那么负载得到的是非连续的电压可不可以呢？废话，当然也是不可以的，在这个电路图的情况下，电感放电结束之后，就会存在一段死区时间，那么这段死区时间之内，负载是需要能量的，但是拓扑却又不能输出能量，那肯定是不合理的，那么输出的电压肯定就无法降到0V，此时我们为了让电压不能降到0V，我们就需要让电感放完电之前就给它再次充能，也就是CCM模式，为了实现这种效果，我们就需要将开关频率加快，也就是让输入的PWM方波信号的频率提高，电路图如下：

输出波形如下：

此时我们可以发现，输出电压不仅是连续的，而且还在任何时候大于0了，并且也已经有了平均的Vdc值为4.61V，那么这个时候就说明我们的输出电压已经可以带负载了，可以不断地给负载提供能量了，也可以说是直流电压了，但是目前而言，电压变化的尺度还是比较夸张的，电压是十分不稳定的，这种波形的电压，负载接受到的话，肯定要么无法工作，要么被冲坏的，比较理想的直流电压最好肯定是一根直线拉到底，就像拉稀一样直，那么我们就要想个办法，将输出电压波形变得更加平滑。

我们此时添加一个小插曲，先来看看整流滤波电路的波形：