2. 拓扑结构（上）：Buck降压电路原理、关键波形分析、电感电流连续与断续模式
好，咱们正式开始聊拓扑。DC/DC 世界里，Buck 电路是绝对的入门课，也是我工作中打交道最多的拓扑之一。说实话，你要是能把 Buck 吃透，后面再学 Boost、Buck-Boost 就会轻松很多。因为它们的核心思想是相通的——都是通过电感这个“能量搬运工”来实现电压转换。
2.1 Buck 电路的基本原理
Buck 电路，说白了就是降压。输入一个高电压，输出一个低电压。它的核心结构其实很简单：一个开关管（通常是 MOSFET）、一个续流二极管、一个电感和一个输出电容。
我习惯把 Buck 的工作过程分成两个阶段来看：
- 开关导通阶段（Ton）：MOSFET 导通，输入电压通过电感给输出电容充电，同时电感储存能量。此时电感两端电压是 Vin - Vout，电流线性上升。
- 开关关断阶段（Toff）：MOSFET 关断，电感为了维持电流不变，会产生反向电动势，迫使续流二极管导通。电感释放能量，电流线性下降。
你想想看，这两个阶段不断循环，输出端就能得到一个稳定的低压。嗯，这里要注意：电感的电流不能突变，这是整个 Buck 能正常工作的根本原因。
关键公式：Vout = Vin × D，其中 D 是占空比（Ton / (Ton + Toff)）。
这个公式是理想情况下的推导，实际中还要考虑二极管压降、MOSFET 导通电阻等因素。我在项目中遇到过，有些新手直接套这个公式算，结果输出电压偏差很大，就是因为没考虑这些损耗。
2.2 关键波形分析
做电源设计，不会看波形就等于不会吃饭。我个人习惯，每次调试 Buck 电路，第一件事就是抓四个关键波形：
- SW 节点波形：也就是 MOSFET 漏极和电感连接点的波形。理想情况下，它是一个方波，高电平等于 Vin，低电平接近 0V（实际是二极管压降）。
- 电感电流波形：这是一个三角波或锯齿波。上升斜率由 (Vin - Vout)/L 决定，下降斜率由 Vout/L 决定。
- 输出电压纹波：理论上应该是一条直线，但实际上会有小幅波动。这个纹波大小和输出电容的 ESR、ESL 以及电感电流纹波有关。
- 输入电流波形：这个波形是脉冲状的，因为 MOSFET 导通时才有电流从输入端抽取。
我曾经调试一个 12V 转 5V 的 Buck 电路，发现 SW 节点波形有严重的振铃。一开始以为是布局问题，后来查了半天，发现是 MOSFET 的驱动电阻选得太小，导致开关速度太快，寄生电感产生了谐振。嗯，从那以后，我每次都会在 SW 节点上串一个小电阻来抑制振铃。
我的小技巧：抓 SW 节点波形时，示波器探头要用短地线，最好用弹簧地。否则你看到的振铃可能有一半是测量引入的，不是电路本身的。
2.3 电感电流连续模式（CCM）
CCM，全称 Continuous Conduction Mode。在这种模式下，电感电流在整个开关周期内都不会降到零。也就是说，电感始终有电流流过。
CCM 的特点很明显：
- 输出电压纹波小，因为电感电流的交流分量小
- 对 MOSFET 和二极管的电流应力相对较小
- 传递函数相对简单，环路补偿容易设计
我个人的习惯是，只要负载电流不是特别小，我都会尽量让电路工作在 CCM 模式。为什么呢？因为 CCM 模式下，输出电压和占空比的关系是线性的，控制起来很直观。
CCM 模式下，电感电流的纹波大小可以用这个公式估算：
ΔIL = (Vin - Vout) × Ton / L或者等效为：
ΔIL = Vout × Toff / L这两个公式算出来的结果是一样的，你可以任选一个来用。
2.4 电感电流断续模式（DCM）
DCM，全称 Discontinuous Conduction Mode。当负载电流很小，或者电感值选得比较小时，电感电流会在开关周期的某一段时间内降到零。
DCM 模式有什么特点？
- 输出电压纹波变大，因为电感电流的交流分量更大
- 效率在轻载时可能更高，因为开关损耗和导通损耗都降低了
- 传递函数变得复杂，环路补偿需要更小心
你想想看，DCM 模式下，电感电流降到零后，SW 节点的电压会是什么样？嗯，它会振荡！因为电感和 MOSFET 的寄生电容会形成一个 LC 谐振回路。这个振荡幅度不大，但频率很高，有时候会干扰到控制电路。
注意：DCM 模式下，输出电压和占空比的关系不再是简单的 Vout = Vin × D。实际公式是：
Vout = Vin × (2 × D) / (D + √(D² + 8 × L × Iout / (Vin × T)))
这个公式看起来复杂，但说白了就是告诉你：DCM 下，占空比和输出电压的关系是非线性的。
2.5 CCM 与 DCM 的边界
电路到底工作在 CCM 还是 DCM，取决于负载电流的大小。这个边界点叫做临界连续模式（BCM）。
临界电流的计算公式：
Icrit = (Vin - Vout) × D × T / (2 × L)当负载电流大于 Icrit 时，电路工作在 CCM；小于 Icrit 时，工作在 DCM。
我曾经设计过一个宽负载范围的 Buck 电路，负载从 100mA 到 3A 变化。这就意味着，电路会在 CCM 和 DCM 之间来回切换。嗯，这种设计最头疼，因为环路补偿要兼顾两种模式。我当时的做法是：在轻载时强制让电路进入脉冲跳跃模式（PFM），避免频繁的模式切换。
| 参数 | CCM | DCM |
|---|---|---|
| 电感电流是否到零 | 否 | 是 |
| 输出电压纹波 | 小 | 大 |
| 轻载效率 | 低 | 高 |
| 环路补偿难度 | 容易 | 较难 |
| 适用场景 | 重载、固定负载 | 轻载、宽负载范围 |
2.6 电感选型的一些经验
聊了这么多理论，最后说说实际选电感时我的一些经验。
首先，电感值的选择要综合考虑纹波电流和响应速度。电感值越大，纹波电流越小，但动态响应越慢。我一般会让纹波电流控制在输出电流的 20%-40% 之间。
其次，电感的饱和电流一定要留够余量。我曾经吃过这个亏：选了一个标称 2A 饱和电流的电感，结果实际峰值电流到了 1.8A 就饱和了，电感值急剧下降，电路直接失控。嗯，从那以后，我选电感时饱和电流至少留 1.5 倍余量。
最后，电感的 DCR（直流电阻）会影响效率。大电流应用时，DCR 造成的损耗不可忽视。我一般会选 DCR 小于输出电流 × 0.01Ω 的电感。
选型口诀：电感值看纹波，饱和电流看峰值，DCR 看效率，尺寸看空间。这四个维度都满足了，这颗电感基本就合适了。
好了，这一章的内容就到这里。Buck 电路虽然基础，但里面的门道不少。下一章我们会接着聊 Boost 升压电路，到时候你会发现，很多思路是相通的。