3、Buck电路原理：降压转换器工作原理、连续与断续导通模式（CCM vs DCM）、占空比计算
各位同学，咱们今天来啃一块硬骨头——Buck电路。说它硬，其实搞懂了也就那么回事。我当年刚入行时，第一次调Buck电路，输出纹波大得像心电图，折腾了两天才发现是电感选小了。嗯，这些坑咱们今天一并填上。
3.1 降压转换器的工作原理
Buck电路，说白了就是把高电压变成低电压。你想想看，一个12V的电源，怎么稳定输出3.3V给单片机供电？靠的就是这个拓扑。
它的核心元件就四个：开关管（MOSFET）、续流二极管、电感和输出电容。工作过程分两段：
- 开关导通阶段：MOSFET导通，输入电压通过电感给负载供电，同时电感储能。电流线性上升。
- 开关关断阶段：MOSFET断开，电感电流不能突变，通过续流二极管形成回路，电感释放能量。电流线性下降。
我习惯把电感想象成一个水桶。开关导通时往桶里灌水，关断时桶里的水继续流出去。只要开关频率够快，输出端就能得到稳定的低压水流。
关键公式：输出电压 Vout = D × Vin（理想情况下）
其中D是占空比，取值范围0~1。
3.2 连续导通模式（CCM）与断续导通模式（DCM）
这里有个重要的概念——电感电流是否连续。我刚开始做电源设计时，根本没在意这个，结果负载一轻，电路就开始吱吱叫。后来才明白，这是模式切换了。
3.2.1 连续导通模式（CCM）
电感电流在整个开关周期内都大于零。说白了，电感里的能量从来没放空过。这种模式下，输出电压与负载电流关系不大，纹波也小。大功率应用基本都跑在CCM。
3.2.2 断续导通模式（DCM）
电感电流在开关关断的末期降到了零，并且保持一段时间为零。轻载时常见。我曾经做过一个LED驱动，空载时效率奇高，一加负载就发热，就是因为DCM和CCM的损耗特性完全不同。
| 特性 | CCM | DCM |
|---|---|---|
| 电感电流 | 始终大于零 | 有零电流区间 |
| 输出纹波 | 较小 | 较大 |
| 负载范围 | 重载 | 轻载 |
| 控制复杂度 | 简单 | 需考虑模式切换 |
我的经验：设计时尽量让电路在额定负载下工作在CCM。如果负载变化范围很大，建议选用支持模式无缝切换的控制芯片。比如TI的TPS5430，我用了好几年，很稳。
3.3 占空比计算
占空比D = ton / T，其中ton是开关导通时间，T是开关周期。这个值直接决定了输出电压。
在CCM模式下，占空比的计算公式很简单：
D = Vout / Vin （忽略二极管压降和开关损耗）但实际工程中，你得考虑续流二极管的压降VD和MOSFET的导通压降VDS。修正后的公式是：
D = (Vout + VD) / (Vin - VDS + VD)举个例子：输入12V，输出3.3V，肖特基二极管压降0.4V，MOSFET压降0.1V。那么：
D = (3.3 + 0.4) / (12 - 0.1 + 0.4) = 3.7 / 12.3 ≈ 0.301也就是占空比约30%。
注意：占空比不能无限大或无限小。实际芯片都有最小导通时间和最大占空比限制。我曾经在做一个超低压差转换时，发现占空比需要95%以上，结果芯片根本做不到，只能换方案。
3.4 CCM与DCM的占空比差异
这里有个容易踩的坑——DCM下的占空比计算公式和CCM不一样。在DCM下，占空比还与负载电流、电感量有关：
D = √( 2 × L × fsw × Iout / (Vin - Vout) )你看，多了电感L和开关频率fsw两个变量。所以轻载时，占空比会变小，而且不是线性关系。我建议初学者先吃透CCM，再研究DCM，否则容易绕晕。
3.5 实际设计中的几点建议
- 电感选择：电感纹波电流一般取输出电流的20%~40%。太小了容易进入DCM，太大了损耗增加。
- 开关频率：频率高，电感电容可以小，但开关损耗大。我一般取200kHz~500kHz，平衡体积和效率。
- 输出电容：主要看ESR和容量。ESR决定纹波电压，容量决定瞬态响应。
- 布局布线：功率回路要短，反馈走线要远离电感。这个我吃过亏，下次专门讲。
避坑指南：我曾经设计一个5V转1.8V的Buck，输出纹波要求小于10mV。一开始电容选小了，纹波30mV。后来换了低ESR的钽电容，纹波降到8mV。嗯，电容的ESR比容量更关键。
好了，Buck电路的核心原理就这些。下一节咱们讲Boost升压电路，到时候你会发现，其实原理是相通的，只是把电感和二极管的位置换了一下。先消化今天的知识，有问题随时问我。