Buck电路的常规角度分析

2.1时域分析方法　　下面按着电容充放电和电感充放电进行时域分析。　　时域分析的过程是按着输入电压的高与低，分析电路里电容电压和电感电流的变化过程。这个分析过程可以按着大多课本上面所讲述的过程分析，从CCM模式到DCM模式。　　（1）CCM模式　　当输入电压为Vin时，电感电流增加，电流小于输出负载电流iL，此时的负载电流由电感和电容同时提供。当电流逐渐增加到大于输出的平均电流的时候，电感电流为负载和电容提供能量。当输入为0，即开关管关断时，电感电流下降，此时电流依然大于输出平均值，电容电压延续上述上升的趋势，直至电感电流小于输出平均电流，电容开始放电，完成一个开关周期的循环过程。　　（2）DCM模式　　在DCM模式下，电感的电流在开关管管断后的一段时间后逐渐减为零，此时的等效输入电压为输出电压值，具体的波形如图4所示。　　在CCM模式下，电压的输出值与输入值之间是正比关系，比例系数为占空比D。在DCM的模式下电压会被抬升，具体的关系和电路的参数、开关频率以　　及占空比相关。　　　　2.2相平面分析　　上面的分析过程中，电感电流以及电容的电压都被看作是三角波的上升和下降，其实在有些过程中这些状态变量是正弦变化的，下面从相平面的方式分析它的工作过程。　　CCM模式　　CCM模式下的电路的相平面图为图5所示，红色部分为电感电流和电容电压的变化范围和变化过程。图中的过程和上面的分析过程是相似的，只是在前面把电感电流和电容电压的变化都看作是线性的。其实质的变化是电感和电容的谐振。后面将其与经典并联负载谐振的电路进行比较可以有更深层次的理解。　　　　3.Buck电路的滤波器角度分析　　3.1典型二阶滤波器　　二阶滤波器的电路与Buck电路的后半部分唯一的不同是，Buck电路只允许电流的单向流动，下面首先对一般的滤波器进行分析。推导其电压传递函数为：　　总体的阻抗为：　　从上面传递函数（1）可以看出：自然频率大小等于其谐振频率，在负载一定的前提下，电容的大小影响二阶系统的阻尼系数，即系统的系统的响应速度和超调。系统低频的增益为1，高频40dB/dec下降，对高频分量的衰减效果很好，转折频率为谐振频率。　　从上面的传递函数（3）可以看出：在负载一定的情况下，增大系统的电感值，可以使得系统的阻抗增加，即在输入电压一定的情况下，得到的纹波电流就越小。　　3.2电流单向二阶滤波器　　当在此典型滤波器的输入限制为电流单向流动，如图8所示在输入端加上二极管，会有不同的结果，也就是说此时的二阶滤波不在是滤波作用，而是一个整流器电路。　　由于二极管的存在使得电流只能单向流动，电压为正时，电流正向流动，电压为负值时，电流逐渐减为零不再反向，电压和电流并不同相位。　　首先说明，对于Buck电路的输入电压可以等效为一个直流分量和一个交流量的加和。对于直流分量在滤波器的输出侧增益为1且电流为正向，下面主要针对交流分量分析其输出效果。　　（1）CCM模式　　CCM模式下的Buck电路电流连续，相当于后级为经典滤波器，交流分量的效果叠加在恒流和恒压的输出上，也就是我们看到的电容电压和电感电流上有一定的纹波。此纹波值是输入电压交流分量经过完整滤波器的效果，这样理解的原因是：电感电流始终连续。　　　　（2）DCM模式　　DCM模式下，交流分量的叠加不再完整，即不再是完整滤波器效果，此时的结果相当于后级为部分电流单向流动的滤波器。会有一个平均值叠加在直流成分上，这也就是为什么DCM模式下的Buck电路的电压会升高。　　在输出电阻为无穷大的时候，平均输出电流零，直流成分也为零，随着时间的推移逐渐减为零。此时输出电压等于输入电压。　　4.Buck电路与并联负载谐振　　4.1并联负载谐振的等效电路　　并联的负载谐振电路一般有两种形式，即输出整流侧电压源形式和输出电流源形式。　只要电容的电压不为零，整流的二极管便是对角开通，不会出现电感续流的过程。后级的电感和电容是二阶滤波器，即相当于Buck电路的输出侧，输出为整流电压的直流成分。由于输入电压为谐振电容电压的绝对值，积分求平均后可以得到。