Buck电路开关频率与电感选型

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Buck电路拓扑

Buck电路是一种常用的直流-直流（DC-DC）转换器拓扑结构，主要用于将输入的直流电压降低到一个较低的直流输出电压。其名称“降压式变换电路”直接体现了它的功能特点。

其主要包括输入电源、开关器件、控制器件、电感L、输出滤波电容C、续流器件。

开关器件多采用MosFET，对于续流器件，采用续流二极管的为非同步整流，在同步整流中，多采用MosFET来代替续流二极管，以减少反向恢复损耗，提高效率。

同步降压相对于非同步降压效率要高，同步降压采用两个MOSFET来代替传统的续流二极管，因此能显著降低反向恢复损耗，提高整体转换效率。在低压大电流的情况下，其二极管的正向导通压降造成的损失占比较大，采用MosFet能显著降低正向导通损耗。

而非同步Buck相对于同步Buck来说，仅仅采用了一个MosFet作为开关器件，并采用肖特基二极管或快恢复二极管进行续流，成本更低，且在高压应用下，肖特基二极管的反向耐压和恢复特性更加适合。

不同拓扑的工作频率

非同步Buck通常工作在较低至中等频率范围，比如几十kHz到几百kHz。一些早期或低成本的应用可能选择几十kHz左右的频率，而现代设计为提高效率和减小体积，可能会选择更高的频率，如几百kHz。

同步Buck电路由于其较高的效率，常常用于更高要求的应用，其工作频率也可能从几十kHz起，但更常见的是工作在几百kHz乃至几MHz的范围内。尤其是对于高密度电源模块、便携式设备以及服务器电源等领域，为了缩小元件尺寸和减轻重量，往往会采用兆赫兹级别的开关频率。

Buck工作原理

工作时，控制器件驱动开关元件以一定的频率和占空比（导通时间与周期的比例）进行开关切换。

1.导通阶段

控制器件驱动开关器件（如上管NMOSFET）导通时，上官NMos此时相当于一个低阻通路。输入电压Vin几乎无损的直接加在电感L两端。

此时，流经电感的电流增大，由于楞次定律，电感不允许电流突变。电感会产生反向电动势来阻碍电流变化，此时负载电压Vout相当于输入电压Vin减去反向电动势电压，其电感在此阶段存储能量。同时，电容提供瞬态响应，保持输出电压Vout稳定。

导通时间Ton由控制器根据设定的目标占空比调节，来维持所需的输出电压Vout。通过调整Ton，可以控制输出电压与输入电压之间的比率关系。

2.关断阶段

导通时间后，控制器件将上管截至，由于电感不允许电流突变，所以电感中的电流不能立即停止，而是继续流经续流路径，电流通过二极管与负载及输出电容形成回路。电感开始将存储的磁场能量转化为电能，向输出端释放。此时，电感两端的感应电动势与导通阶段相反，此时负载电压Vout相当于电感两端的电压。输出电容C在这一阶段继续为负载提供稳定的直流电压，同时吸收部分电流波动，减少输出电压纹波。

在非同步整流中，续流器件通常为肖特基二极管或快恢复二极管，肖特基二极管其低正向压降特性和快速恢复特性而受到非同步Buck青睐。最大正向平均整流电流选择为负载电流的两倍，反向耐压为Vin两倍。

而在同步Buck中，多采用MosFet来进一步提高效率，尤其是在低输出电压条件下。

电感选型

在每个开关周期内，电感必须能够存储足够的能量以保持输出电压稳定，并且在其两端产生的感应电压应足够大，以便在开关断开时通过续流元件（非同步整流下是二极管，同步整流下是下管MOSFET）向负载提供能量。

Buck电路电感值计算
• ：所需的电感值（H）。
• ：输入电压的峰值或最大值。
• ：输出电压的目标值或稳态值。
• ：开关管的占空比，导通时间与整个开关周期之比。
• ：电感电流纹波的峰峰值，一般取约为负载电流平均值的一定比例（如10%至30%），以保证电流变化平滑且不过大。
• ：开关频率（Hz）。

由公式可知，开关频率越高，其允许选用的电感值就可以相对较小，在高频下同样的电感值相对于低频可以在较短的时间内存储足够的能量传递给负载。

理想的无损且没有气隙的磁芯电感值计算
：电感值（单位：亨利，H）
：磁芯材料的磁导率（单位：亨利/米，H/m）
：线圈的匝数
：磁芯的有效截面积（单位：平方米，m²）
：磁芯的有效长度（单位：米，m）

由公式可知，同等电流下，其电感值越小，其电感的体积和重量相对就越小。

同时在高频条件下，所选的滤波电容在ESR和ESL足够小的情况下，输出电容值也可以适当减小，因为更高的频率意味着更快的能量交换速度，从而可以在较短时间内存储和释放足够的能量来保持输出电压稳定。但滤波电容的选择也跟要求的输出纹波，瞬态响应速度有关，很多情况下需要搭配不同类型电容（如MLCC和电解电容），来兼顾高频及低频纹波的抑制效果。

还应该需要考虑电感的自谐振频率SRF,来避免工作频率超过自谐振频率，使得电感表现出电容特性，降低储能能力，所选电感的自谐振频率应该远高于工作频率。

高频Buck和低频Buck

高频Buck通常工作在数百kHz至MHz级，其体积小、重量轻、纹波控制好、响应速度快。与之对应的是高频下MOSFet等开关器件损耗加大，和高频下容易存在的EMI问题。

低频Buck通常工作在几十kHz到几百kHz，在低频下，开关器件的损耗相对较小，高频噪声较小，只采用一个开关器件，能实现较低的成本，与此对应的需要选用较大的电感和电容，体积会变大，同时低频下，动态响应较慢。

在设计Buck电路时，需全面权衡开关频率对电感选型、系统效率、响应速度、体积、EMI特性以及散热等方面的影响。依据不同应用场景和需求，合理确定开关频率并选择合适的电感参数，同时注意相同体积下电感饱和电流的特点。总之，优化开关频率与电感选型是构建高性能、稳定且适用的DC-DC转换器的核心环节。