DC-DC 降压型 Buck 电路：工作原理与参数计算
目录
十五、完整设计示例：12V 转 5V / 2A Buck 电路
一、Buck 电路是什么
Buck 电路是一种 DC-DC 降压变换电路。它的作用是将较高的直流输入电压转换成较低的直流输出电压。
例如：
12V → 5V
24V → 12V
48V → 24V
Buck 电路属于开关电源的一种。它不是通过电阻分压或线性稳压来降压，而是通过开关管的高速导通和关断，把输入能量周期性地传递给电感、电容和负载，从而得到稳定的低压输出。
理想情况下，Buck 电路的输出电压满足：
Vo = D × Vin
其中：
Vo ：输出电压
Vin ：输入电压
D ：PWM 占空比
因为占空比 D 的范围通常为：
0 < D < 1
所以：
Vo < Vin
因此 Buck 电路具有降压功能。
二、Buck 电路的基本结构
典型 Buck 电路主要由以下部分组成：
输入电源 Vin
开关管 S
续流二极管 D
储能电感 L
输出电容 C
负载 R
PWM 控制信号
同时，电感和负载之间接有输出电容 C，用来滤波。
开关管关断时，电感电流通过续流二极管形成回路。
2.1 输入电源 Vin
Vin 是 Buck 电路的输入电压，必须高于目标输出电压。
例如设计一个 12V 转 5V 的 Buck 电路，则：
Vin = 12V
Vo = 5V
实际设计时，输入电压通常不是固定不变的，而是有一个范围。例如：
Vin = 9V ~ 16V
Vo = 5V
这时占空比也会随输入电压变化而变化。
2.2 开关管 S
开关管是 Buck 电路的核心控制器件，常用 MOSFET。
它的作用是按照 PWM 信号周期性导通和关断，使输入电源间歇性地向电感和负载传递能量。
开关管导通时，输入电源给电感和负载供电。
开关管关断时，输入电源断开，由电感继续给负载供电。
MOSFET 选型时主要关注：
耐压 VDS
最大电流 ID
导通电阻 RDS(on)
栅极电荷 Qg
封装与散热能力
一般来说，MOSFET 的耐压需要大于输入电压，并留有裕量。
例如输入电压为 12V，可以选择：
VDS ≥ 30V 的 MOSFET
如果输入电压为 24V，可以选择：
VDS ≥ 40V 或 60V 的 MOSFET
2.3 续流二极管 D
续流二极管的作用是在开关管关断时，为电感电流提供通路。
电感有一个重要特性：
电感电流不能突变
所以当开关管突然关断时，电感电流仍然要继续流动。此时二极管导通，形成续流回路。
二极管选型时主要关注：
反向耐压 VR
平均正向电流 IF
正向压降 VF
反向恢复时间 trr
功耗与散热能力
Buck 电路中常用肖特基二极管，因为肖特基二极管具有：
正向压降低
开关速度快
反向恢复损耗小
二极管耐压一般要求：
VR > Vin_max
平均电流近似为：
ID_avg ≈ Io × (1 - D)
其中：
ID_avg ：二极管平均电流
Io ：输出电流
D ：占空比
2.4 电感 L
电感是 Buck 电路中最重要的储能元件之一。
它的作用包括：
储存能量
释放能量
平滑输出电流
限制电流突变
降低电流纹波
开关管导通时，电感吸收能量，电感电流上升。
开关管关断时，电感释放能量，电感电流下降。
电感值越大，电感电流纹波越小，但体积、成本会增加，动态响应也会变慢。
电感值越小，电路响应较快，但电感电流纹波增大，容易导致输出纹波增大，甚至进入断续导通模式。
2.5 输出电容 C
输出电容用于滤波，使输出电压更加平稳。
由于电感电流是带有纹波的电流，输出电容可以吸收电流中的交流分量，从而降低输出电压纹波。
输出电容选型时主要关注：
电容量 C
耐压值
ESR 等效串联电阻
纹波电流能力
温度特性
封装尺寸
电容越大，输出电压纹波通常越小。
ESR 越小，电容引起的纹波越小。
2.6 负载 R
负载是 Buck 电路的供电对象。
如果输出电压为 Vo，输出电流为 Io，则等效负载电阻为：
R = Vo / Io
例如输出 5V、2A，则负载等效电阻为：
R = 5 / 2 = 2.5Ω
三、Buck 电路的工作原理
Buck 电路的一个开关周期可以分为两个阶段：
阶段一：开关管导通
阶段二：开关管关断
设：
T ：开关周期
Ton ：开关管导通时间
Toff ：开关管关断时间
D ：占空比
fs ：开关频率
它们之间的关系为：
T = Ton + Toff
D = Ton / T
T = 1 / fs
Ton = D × T
Toff = (1 - D) × T
四、开关管导通阶段
当开关管 S 导通时，输入电源 Vin 通过开关管、电感和负载形成回路。
电流路径为：
Vin → 开关管 S → 电感 L → 负载 R → GND
此时续流二极管反向截止。
在这个阶段，电感左端电压近似为 Vin，电感右端电压为 Vo，所以电感两端电压为：
VL_on = Vin - Vo
根据电感的基本公式：
VL = L × diL/dt
可以得到导通阶段电感电流上升斜率：
diL/dt = (Vin - Vo) / L
也就是说，开关管导通时，电感电流线性上升。
这一阶段的能量流动可以理解为：
输入电源一部分能量供给负载
输入电源另一部分能量储存在电感中
输出电容也会参与滤波和供能
五、开关管关断阶段
当开关管 S 关断时，输入电源与后级电路断开。
由于电感电流不能突变，电感会通过续流二极管继续向负载供电。
电流路径为：
电感 L → 负载 R → 续流二极管 D → 电感 L
此时电感两端电压近似为：
VL_off = -Vo
根据：
VL = L × diL/dt
可以得到关断阶段电感电流下降斜率：
diL/dt = -Vo / L
也就是说，开关管关断时，电感电流线性下降。
这一阶段的能量流动可以理解为：
电感释放能量
电感继续给负载供电
输出电容辅助维持输出电压稳定
六、Buck 电路为什么能降压
Buck 电路能降压的核心原因是：
输出端看到的不是完整的 Vin，而是被 PWM 开关切割后的平均电压
开关管并不是一直导通，而是只在一个周期中的一部分时间导通。
如果一个周期中，开关管只有 40% 的时间导通，那么负载端获得的平均能量就低于输入电源直接供电时的能量。
占空比越大，导通时间越长，输出电压越高。
占空比越小，导通时间越短，输出电压越低。
七、Buck 电路输入输出关系推导
在稳定工作时，Buck 电路中的电感电流在每个周期开始和结束时保持一致。
也就是说，一个周期内，电感电流上升多少，随后就要下降多少。
从电感电压角度看，一个周期内电感电压的平均值为 0，这称为电感伏秒平衡。
导通阶段电感电压为：
VL_on = Vin - Vo
导通时间为：
Ton = D × T
关断阶段电感电压为：
VL_off = -Vo
关断时间为：
Toff = (1 - D) × T
根据电感伏秒平衡：
VL_on × Ton + VL_off × Toff = 0
代入可得：
(Vin - Vo) × D × T + (-Vo) × (1 - D) × T = 0
展开：
Vin × D × T - Vo × D × T - Vo × T + Vo × D × T = 0
中间两项抵消：
Vin × D × T - Vo × T = 0
两边同时除以 T：
Vin × D - Vo = 0
所以得到：
Vo = D × Vin
这就是理想 Buck 电路在连续导通模式下最重要的公式。
八、占空比计算
由 Buck 电路的理想公式：
Vo = D × Vin
可以得到占空比：
D = Vo / Vin
例如，输入电压为 12V，输出电压为 5V：
D = 5 / 12
D ≈ 0.417
换成百分比：
D ≈ 41.7%
也就是说，理论上 PWM 占空比约为 41.7%。
实际电路中，由于 MOSFET、二极管、电感、电容都会产生损耗，实际占空比通常会比理想值略大。
九、电感参数计算
电感计算是 Buck 电路设计中的重点。
9.1 电感电流纹波
Buck 电路中，电感电流不是完全平直的直流，而是在平均值附近上下波动。
这个波动量称为电感电流纹波，用 ΔIL 表示。
电感电流纹波定义为：
ΔIL = 电感电流最大值 - 电感电流最小值
在导通阶段：
VL_on = Vin - Vo
电感电流上升量为：
ΔIL = VL_on × Ton / L
代入：
VL_on = Vin - Vo
Ton = D × T
T = 1 / fs
得到：
ΔIL = (Vin - Vo) × D / (L × fs)
这个公式非常重要。
其中：
ΔIL ：电感电流纹波
Vin ：输入电压
Vo ：输出电压
D ：占空比
L ：电感值
fs ：开关频率
9.2 电感值计算公式
由上式变形，可以得到电感值：
L = (Vin - Vo) × D / (ΔIL × fs)
工程设计中，电感电流纹波一般取输出电流的 20% 到 40%。
常用经验值：
ΔIL = 0.3 × Io
其中：
Io ：输出电流
也就是说，如果输出电流为 2A，那么电感电流纹波可以先取：
ΔIL = 0.3 × 2A = 0.6A
9.3 电感计算示例
假设设计目标为：
Vin = 12V
Vo = 5V
Io = 2A
fs = 100kHz
ΔIL = 0.3 × Io
先计算占空比：
D = Vo / Vin
D = 5 / 12 ≈ 0.417
再计算电感电流纹波：
ΔIL = 0.3 × 2A = 0.6A
代入电感公式：
L = (Vin - Vo) × D / (ΔIL × fs)
L = (12 - 5) × 0.417 / (0.6 × 100000)
L = 7 × 0.417 / 60000
L = 2.919 / 60000
L ≈ 0.00004865 H
换算成微亨：
L ≈ 48.65 μH
工程中可以选择接近的标准电感值：
47 μH 或 56 μH
9.4 电感饱和电流计算
电感选型时，不能只看电感值，还要看饱和电流。
电感峰值电流为：
IL_peak = Io + ΔIL / 2
以上面例子为例：
Io = 2A
ΔIL = 0.6A
所以：
IL_peak = 2 + 0.6 / 2
IL_peak = 2.3A
电感的饱和电流必须大于峰值电流，并留有裕量。
建议：
Isat ≥ 1.2 × IL_peak
代入：
Isat ≥ 1.2 × 2.3A
Isat ≥ 2.76A
因此可以选择饱和电流大于 3A 的电感。
9.5 电感 RMS 电流
电感 RMS 电流近似为：
IL_rms ≈ sqrt(Io² + ΔIL² / 12)
对于大多数 Buck 电路，如果电感纹波不大，可以近似认为：
IL_rms ≈ Io
但在精确计算电感发热时，应考虑纹波电流。
十、输出电容参数计算
输出电容的主要作用是减小输出电压纹波。
10.1 输出电压纹波来源
Buck 电路的输出电压纹波主要来自两部分：
电容充放电引起的纹波
电容 ESR 引起的纹波
所以总纹波可以近似看成：
ΔVo ≈ 电容充放电纹波 + ESR 纹波
10.2 理想电容纹波计算
忽略 ESR 时，输出电压纹波近似为：
ΔVo_C = ΔIL / (8 × fs × C)
其中：
ΔVo_C ：电容充放电引起的输出纹波
ΔIL ：电感电流纹波
fs ：开关频率
C ：输出电容
由此可以反推电容值：
C = ΔIL / (8 × fs × ΔVo_C)
10.3 输出电容计算示例
继续以上面的设计为例：
Vin = 12V
Vo = 5V
Io = 2A
fs = 100kHz
ΔIL = 0.6A
假设希望输出电压纹波小于：
ΔVo = 50mV = 0.05V
忽略 ESR 时：
C = ΔIL / (8 × fs × ΔVo)
代入：
C = 0.6 / (8 × 100000 × 0.05)
C = 0.6 / 40000
C = 0.000015 F
换算成微法：
C = 15 μF
这个值只是理论最低值。实际设计时，需要考虑 ESR、负载突变、温度、电容容量偏差等因素，一般会选择更大的电容。
例如可以选择：
47 μF 或 100 μF 电解 / 固态电容
并联 0.1 μF 或 1 μF 陶瓷电容
10.4 ESR 纹波计算
实际电容存在等效串联电阻 ESR。
ESR 引起的纹波为：
ΔVo_ESR = ΔIL × ESR
如果：
ΔIL = 0.6A
ESR = 0.05Ω
则：
ΔVo_ESR = 0.6 × 0.05
ΔVo_ESR = 0.03V = 30mV
这说明即使电容容量足够，如果 ESR 较大，输出纹波仍然可能偏大。
总纹波近似为：
ΔVo_total ≈ ΔIL / (8 × fs × C) + ΔIL × ESR
因此输出电容选型时，低 ESR 非常重要。
十一、输入电容参数选择
输入电容的作用是为开关管提供瞬态脉冲电流，减小输入电压波动。
Buck 电路的输入电流是脉冲形式，如果输入端没有合适的电容，容易产生：
输入电压尖峰
电磁干扰 EMI
开关管电压应力增大
系统不稳定
输入电容应尽量靠近 MOSFET 放置。
输入电容耐压一般满足：
Vcin_rating ≥ 1.5 × Vin_max
例如输入最大 12V，可以选择：
耐压 25V 的输入电容
如果输入最大 24V，可以选择：
耐压 35V 或 50V 的输入电容
输入电容通常采用：
电解电容 / 固态电容 + 陶瓷电容并联
例如：
100 μF 电解电容 + 1 μF 陶瓷电容 + 0.1 μF 陶瓷电容
十二、二极管参数计算
普通 Buck 电路中，二极管在开关管关断期间导通。
二极管平均电流近似为：
ID_avg = Io × (1 - D)
二极管反向耐压至少应大于输入电压：
VR ≥ Vin_max
工程中通常留裕量：
VR ≥ 1.5 × Vin_max
二极管功耗近似为：
PD = VF × Io × (1 - D)
以上面例子为例：
Io = 2A
D = 0.417
VF = 0.5V
则：
PD = 0.5 × 2 × (1 - 0.417)
PD = 1 × 0.583
PD ≈ 0.583W
这个损耗对于小功率电路已经比较明显，因此二极管需要考虑散热。
如果输出电流较大，建议使用同步 Buck，用 MOSFET 替代续流二极管，提高效率。
十三、MOSFET 参数计算
MOSFET 是 Buck 电路中最主要的开关器件。
13.1 MOSFET 耐压
MOSFET 关断时，需要承受输入电压 Vin。
因此 MOSFET 耐压应满足：
VDS ≥ Vin_max
工程中需要考虑电压尖峰和裕量：
VDS ≥ 1.5 × Vin_max
例如输入最大 12V：
VDS ≥ 18V
实际可以选择：
30V MOSFET
输入最大 24V：
VDS ≥ 36V
实际可以选择：
40V 或 60V MOSFET
13.2 MOSFET 电流
MOSFET 导通时，电流近似等于电感电流。
因此 MOSFET 峰值电流可按电感峰值电流估算：
IMOS_peak ≈ IL_peak
其中：
IL_peak = Io + ΔIL / 2
实际选型时，应留有裕量：
ID_rating ≥ 1.5 × IL_peak
13.3 MOSFET 导通损耗
MOSFET 导通时存在导通电阻 RDS(on)。
导通损耗近似为：
PMOS_cond = Io² × RDS(on) × D
例如：
Io = 2A
RDS(on) = 50mΩ = 0.05Ω
D = 0.417
则：
PMOS_cond = 2² × 0.05 × 0.417
PMOS_cond = 4 × 0.05 × 0.417
PMOS_cond ≈ 0.083W
导通电阻越小，MOSFET 导通损耗越低。
不过 RDS(on) 很小的 MOSFET 往往栅极电荷较大，驱动损耗和开关损耗可能增加，所以选型时不能只看 RDS(on)。
十四、开关频率 fs 的选择
开关频率 fs 是 Buck 电路设计中的关键参数。
开关频率越高：
电感可以更小
输出电容可以更小
电路体积可以减小
输出纹波更容易控制
但缺点是：
MOSFET 开关损耗增加
驱动损耗增加
EMI 问题更明显
PCB 设计要求更高
开关频率越低：
开关损耗较小
效率可能更高
EMI 相对容易控制
但缺点是：
需要更大的电感
需要更大的输出电容
动态响应可能变慢
电源体积变大
常见 Buck 电路的开关频率范围：
几十 kHz 到几 MHz
初学仿真或课程设计中，常用：
fs = 50kHz ~ 200kHz
小功率集成电源芯片中，常见：
fs = 500kHz ~ 2MHz
十五、完整设计示例：12V 转 5V / 2A Buck 电路
15.1 设计指标
输入电压 Vin = 12V
输出电压 Vo = 5V
输出电流 Io = 2A
开关频率 fs = 100kHz
电感电流纹波取输出电流的 30%
输出电压纹波目标 ΔVo ≤ 50mV
15.2 计算占空比
D = Vo / Vin
D = 5 / 12
D ≈ 0.417
即：
D ≈ 41.7%
15.3 计算电感电流纹波
ΔIL = 0.3 × Io
ΔIL = 0.3 × 2
ΔIL = 0.6A
15.4 计算电感值
L = (Vin - Vo) × D / (ΔIL × fs)
L = (12 - 5) × 0.417 / (0.6 × 100000)
L ≈ 48.65 μH
工程选型：
L = 47 μH 或 56 μH
15.5 计算电感峰值电流
IL_peak = Io + ΔIL / 2
IL_peak = 2 + 0.6 / 2
IL_peak = 2.3A
考虑裕量：
Isat ≥ 1.2 × IL_peak
Isat ≥ 2.76A
工程选型：
选择饱和电流大于 3A 的电感
15.6 计算输出电容
C = ΔIL / (8 × fs × ΔVo)
C = 0.6 / (8 × 100000 × 0.05)
C = 15 μF
工程选型：
Cout = 47 μF 或 100 μF
并联 0.1 μF / 1 μF 陶瓷电容
15.7 选择二极管
二极管耐压：
VR ≥ 1.5 × Vin
VR ≥ 1.5 × 12 = 18V
工程选型：
选择 30V 或 40V 肖特基二极管
二极管平均电流：
ID_avg = Io × (1 - D)
ID_avg = 2 × (1 - 0.417)
ID_avg ≈ 1.166A
考虑裕量：
选择平均电流大于 2A 的肖特基二极管
15.8 选择 MOSFET
MOSFET 耐压：
VDS ≥ 1.5 × Vin
VDS ≥ 18V
工程选型：
选择 30V MOSFET
MOSFET 电流：
ID_rating ≥ 1.5 × IL_peak
ID_rating ≥ 1.5 × 2.3
ID_rating ≥ 3.45A
工程选型：
选择额定电流大于 5A 的 MOSFET
同时应尽量选择：
RDS(on) 较小
Qg 适中
封装散热能力较好
十六、Buck 电路核心公式汇总
| 功能 | 公式 |
|---|---|
| 开关周期 | T = 1 / fs |
| 占空比 | D = Ton / T |
| 输出电压 | Vo = D × Vin |
| 占空比计算 | D = Vo / Vin |
| 导通时电感电压 | VL_on = Vin - Vo |
| 关断时电感电压 | VL_off = -Vo |
| 电感电流纹波 | ΔIL = (Vin - Vo) × D / (L × fs) |
| 电感值 | L = (Vin - Vo) × D / (ΔIL × fs) |
| 电感峰值电流 | IL_peak = Io + ΔIL / 2 |
| 输出电容 | C = ΔIL / (8 × fs × ΔVo) |
| ESR 纹波 | ΔVo_ESR = ΔIL × ESR |
| 总输出纹波 | ΔVo_total ≈ ΔIL / (8 × fs × C) + ΔIL × ESR |
| 二极管平均电流 | ID_avg = Io × (1 - D) |
| 二极管损耗 | PD = VF × Io × (1 - D) |
| MOSFET 导通损耗 | PMOS_cond = Io² × RDS(on) × D |
| 输出功率 | Po = Vo × Io |
| 效率 | η = Po / Pin × 100% |
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