电 子 与 封 装
ELECTRONICS & PACKAGING
第19卷，第12期
Vol.19，No.12
总 第200期
2019年12月
DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2019.1206
BUCK电路外围器件参数选型分析
马文超
（中科芯集成电路有限公司，江苏 无锡
摘
214072）
要：降压型直流转直流电压转换器简称“BUCK”电路，在使用时外围需要配置输出分压电阻、
输入输出滤波电容和输出滤波电感，有些电路还需要配置自举电容、环路补偿器件以及软启动电容
等，上述无源器件的选择决定了电路的工作特性。讨论了BUCK电路的内部结构，分析其工作原理。
给出BUCK电路外围器件参数计算方法并以实例进行仿真验证，得出与理论分析相符的结论。
关键词：降压型直流转直流变换器；自举电容；软启动
中图分类号：TN432
文献标识码：A
文章编号：1681-1070（2019）12-0028-04
中文引用格式：马文超. BUCK电路外围器件参数选型分析[J]. 电子与封装，2019,19（12）：28-31, 50.
英文引用格式：MA Wenchao. Analysis of peripheral devices parameters of BUCK[J]. Electronics & Packaging,
2019,19(12): 28-31, 50.
Analysis of Peripheral Devices Parameters of BUCK
MA Wenchao
(China Key System & Integrated Circuit Co., Ltd., Wuxi 214072, China)
Abstract: Step-down DC-DC converter names BUCK. In order to make BUCK work properly, peripheral
devices, like output voltage divider resistance, input and output filter capacitor and output filter inductance are
needed. Some buck circuits also need boost capacitor, compensation devices and soft start capacitor, and so
on. The above devices determine BUCK’s performance. Make an analysis of BUCK converter’s principle and
internal structure firstly. Then, how to calculate the parameters of external devices and simulation are given. It
shows that the result is the same as theoretical value.
Keywords: step-down DC-DC converter; boost capacitor; soft start
高，BUCK 电路功能也越来越复杂，电路外围参数
1
引言
选择至关重要，不恰当的器件可能导致负载对象工
作异常，甚至会烧毁负载 ；有时也会导致设计变更，
BUCK 电路在电源中应用最多，相对于低压差
造成时间成本和经费成本增加。
调 整 器（Low dropout regulator，LDO） 来 说， 其 具
BUCK 电路外围器件包括滤波电容、输出滤波
有较高的转化效率，带载能力较强，输入输出电压
电 感 和 输 出 分 压 电 阻 等， 有 些 BUCK 电 路 还 需 要
范围相对较宽。但是，其随着应用环境要求的不断提
补偿元件、软启动电容和自举电容等，文献 [1] 对
收稿日期 ：
2019-07-18
- 28 -
第19卷第12期
马文超：BUCK电路外围器件参数选型分析
BUCK 电路的输出电感和电容进行了分析，文献 [2]
对 BUCK 电路的输入和输出滤波参数进行了仿真，
但都未对其他外围器件参数进行分析研究。本文结合
TI 两款典型电路 [3-4]，对 BUCK 电路外围器件参数进
行全方位的分析，给出了计算公式和选择依据，可作
为工程应用参考。
2
BUCK电路工作原理
BUCK 电路的基本结构如图 1 所示，直流电压
图1
Vdc 加在 Q1 的漏级 D 端，通过 Q1 的开通和关断（对
于同步 BUCK 电路，D1 由同步开关管 Q2 代替，Q1 与
，在 V1 处产生方波电压信号。当
Q2 交替导通和关断）
BUCK 电路采用恒定频率模式控制方式时，占空比由
输入输出电压决定，假设 Q1 导通时间为 Ton，Q1 导通
，电
时，V1 处的电压为 Vdc（假设此时 Q1 压降为 0 V）
流给串联电感 Lo 和输出电容充电 ；当 Q1 关断时，V1
处的电压迅速下降到 0 V（假设 D1 为理想二极管，当
3
3.1
BUCK环路内部结构框图
BUCK电路外围参数选型
输出分压电阻
通常先选择 Rbottom，保证其与 Rtop 形成的串联支
路电流是 IFB 的 100 倍以上，再根据输出电压要求通
过式（2）得到 Rtop。
（2）
Q1 关断经过短暂死区时间后 Q2 打开，
D1 由 Q2 代替时，
假设 Q2 也为理想器件）
，V1 方波电压信号的平均值为
Vdc · Ton/T。Lo 和 Co 构成输出 LC 滤波电路，使得输出
端 Vo 处成为幅值等于 Vdc · Ton/T 的脉动直流电压。
输出分压电阻 Rtop 和 Rbotom 用来设定输出电压值，
输出电压的分压值连接误差放大器（EA）的正向输
入端，与内部参考电压 Vref 比较，被放大的误差电压
Vea 送入脉宽比较器（PWM）的正向输入端，PWM
的反向输入端连接周期为 T 的锯齿波，假设幅值为
Vpwm，PWM 产生矩形脉冲信号控制 Q1 的导通和关断
（同步 BUCK 电路中，该信号经过死区控制逻辑产
生控制 Q1 和 Q2 通断的信号）。PWM 输出的脉冲宽
3.2
输入欠压保护电阻选型
通常情况下，电路的输入电压 VIN 有设计好的
UVLO 值，当输入电压低于该阈值时电路不工作，
当大于该阈值时电路正常工作。当在某些条件下，
客户想提高电路的欠压保护值，一般可以通过配置
VIN 与 EN 管脚之间的电阻来实现。
设定欠压保护阈值电阻的电路示意图如图 2 所
示，电阻值可以按照式（3）~（4）进行计算。对于
EN 端口内部直接连接比较器的电路，计算公式有所
不同 [4]。
度 Ton 与误差放大器输出电压 Vea 成正比。
整个电路一般是由电压外环和电流内环构成双
环路负反馈结构，其中电流环一般采用峰值电流、平
均电流或者谷值电流 3 种控制模式，电压环误差信号
经过控制器得到电压控制信号 Vco，该信号作为电流
环的输入给定量与电流环采集量 Vio 比较，其误差量
作为电流环控制器的输入量，电流环控制器的输出最
终控制开关管的通断。
图2
欠压保护电阻连接示意图
（3）
Vo 和基准电压 Vref 满足关系式（1）。
（1）
当外界因素导致V out 变化时，最终导致Q 1 的导通时
（4）
间T on 发生变化，使得输出V o 保持不变，即使V out 满
足式（1）。
式中，V START 和V STOP 表示阈值起始值和阈值终值，
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电
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子
与
封
装
VENFALLING和VENRISING表示EN阈值的下降和上升值，IP
电容的温度变化和 ESR 因素 [5]，实际电容取理论容
和I h表示EN端口内部上拉电流源，R t和R b表示EN端
值的 4 倍以上。
口电阻。
3.3
由于输出电压纹波为输出电容充放电纹波和输
出电容 ESR 上纹波分量之和，因此输出电容 ESR 要
输出电感选型
当 Q1 打开时，电感电流线性上升，当 Q1 关断时，
满足式（13），电容 ESR 要小于该计算值。另外，由
电感电流线性下降，电感电流最大和最小值之差为电
于散热要求，输出电容能够承受的纹波电流有上限要
感纹波电流，该值也可以用输出负载电流乘以一个比
求，称为 Icorms，要满足式（14）的要求，电容额定电
例系数表示，即
，按照式（5）计算，Kind
流需大于该值。
称为电感纹波电流系数，一般在 0.1~0.4 之间。
（9）
（5）
（10）
（11）
此时的电感值刚好使得电感电流连续，称为临界电
（12）
感，当电感值小于该值时，电流断续，因此电感值
要大于L 临界 ，即按照式（6）选择电感值，这里V o /
V inmin 为最大占空比计算值，对于BUCK电路，存在
（13）
固有的最大占空比Dmax，实际计算时选择两者中的较
小值。
（14）
此外，对于电源电路还要考虑电感的功率参数，
即饱和电流 ILrms 和峰值电流 ILpeak 限制。按照式（7）~
式中，ΔIo、ΔVo分别表示负载电流突变量和输出电压
（8）计算这两个电感电流参数，在选择电感时要求其
跌落量，ΔVdrop表示输出电压纹波。
额定电流大于两者的最大值。
3.5
输入电容选型
BUCK 电路的输入电压虽然是直流，但一般是
（6）
由前级斩波电源的输出提供，因此也是“脉动”的直
（7）
流电压。输出负载发生突变时，BUCK 电路的输入
端以脉冲的方式吸收电流，输入电容要能够提供放电
（8）
电流满足供电要求。输入电容一般承受比较大的纹波
电流，引起输入电容功耗增加，因此输入电容也会影
式中，Vinmin 和 Vinmax 表示输入电压最小和最大值，
响 BUCK 电路的工作稳定性。
f 是电路工作时的开关频率。
3.4
输入电容容值参考式（15）计算，要求实际电容
容值大于该值并且电容 ESR 越小越好，为了达到此要
输出电容选型
电感电流示意如图 3 所示，电感电流平均值以上
求，一般采用钽电容和陶瓷电容多电容并联的方式。
部分表示对输出电容进行充电，其面积为 ΔS，输出
输入电容的纹波电流可以参考式（16）计算，当
电容充电量 ΔQ，根据能量守恒定律，
通过式
（9）
~
（10）
Vin=2Vo 时，Icirms 最大，要求输入电容额定电流大于
可以得到式（11）
，计算出输出电容最小值。
该值。
（15）
（16）
式中，ΔVin表示要求的输入电压纹波值。
3.6
图3
电感电流示意图
软启动电容和自举电容选型
对 于 有 软 启 动 功 能 的 BUCK 电 路， 还 可 以 通
另外，当负载发生突变时，假定输出电压需要 2
过改变软启动管脚上电容值调节输出电压的上升时
个开关周期返回到正常输出值，输出电容还应满足式
间，以满足负载的上电时间要求 ；软启动电容容值可
（12）。电容理论值取两者的最大值，此外还要考虑
通过式（17）计算。
- 30 -
马文超：BUCK电路外围器件参数选型分析
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对 于 同 步 BUCK 电 路， 上 功 率 管 一 般 采 用
（19）
NMOSFET，驱动端电压 BOOST 通过 VIN 经过内部二
极管降压后引出，在 BOOST 和开关脚 PH（或者称为
（20）
SW）
之间连接的电容为自举电容，
一般选择容值在0.1~1
μF 的贴片陶瓷电容，耐压值建议为 16 V 或 25 V。
（21）
（17）
3.7
环路补偿阻容选型
（22）
对于峰值电流控制模式的 BUCK 电路，需要对
内部误差放大器进行补偿，以提高电路的稳定性 ；一
（23）
般电路设计时，将误差放大器的输出端（COMP）通
过外部引脚引出来，实际使用时采用阻容串联进行补
式中，gmea、gmps分别表示电路内部误差放大器增益
偿即可，其连接示意图如图 4 所示。
和功率级跨导增益。
4
仿真分析
以 TI 公司某 BUCK 为例建立仿真模型，仿真原
理图如图 5 所示，设定初始仿真条件 Vin=5 V，Vref=0.8
V，Iss=2 μA，Css=3 nF，通过式（17）可以计算出输
补偿端口连接示意图
出电压上升时间 tss=1.2 ms。设置软件仿真时间为 2
由输出电容引起的极点 fp 和输出电容 ESR 引起
ms，监测输入电压波形、输出电压波形、电感电流、
的零点 fz 参考式（18）~（19）计算，取上述两个频
开关管波形和负载电流，得到仿真波形如图 6 所示，
率的几何平均值作为闭环系统穿越频率 fc，可由式
可以看出，输出电压上升时间约为 1.16 ms，与理论
（20）计算得到。由此，可通过式（21）~（22）得
计算值 1.2 ms 十分接近。
图4
到 RCOMP 和 CCOMP1 ；CCOMP2 增加了一个系统高频极点，
改变 Iss 和 Css，其仿真数据如表 1 所示，把每组 Iss
减小高频干扰，通过式（23）计算得到，通常是 pF 级。
和 Css 代入式（17）进行计算，将得出的理论值与仿真
（18）
图5
数据进行比较，计算结果与理论值误差在 5% 以内。
仿真模型原理图
（下转第50页）
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电
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子
与
封
2008(6): 45-51.
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作者简介：
of fast power diode[J]. Journal of Semiconductor Technology
潘文宾（1984—），男，江苏宝应
and Science. 2014, 14(4): 495-502.
人，西安电子科技大学硕士，工程师，
[7]JIA Y P,ZHAO B,YANG F.Effect of combined platinum and
现从事硅外延片量测管理工作。
electron on the temperature dependence of forward voltage
（上接第31页）
表1
输出启动时间仿真数据表
5
结论
BUCK 电路在 DC-DC 应用领域占据重要地位，
可以为大规模集成电路提供较高的电流，同时也满足
动态性能指标要求。针对 BUCK 电路使用时所需外
围器件参数配置进行了全方位的分析，给出计算公式
并结合仿真实例进行理论与实际验证，结果可以作为
工程实际应用参考。
参考文献：
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[2]陈鸣，等. Buck变换器输入/输出滤波相关问题研究[J].
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[3]TI. tps54620[EB/OL]. 2017-5-20. http://www.ti.com/lit/ds/
symlink/tps54620.pdf.
[4]TI. lm5166[EB/OL].2016-11.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/
lm5166.pdf
[5]王金刚. 一种电解电容等效串联电阻的测试方法[J]. 电子
与封装，2019，19(8):13-15.
作者简介：
马文超（1987—），男，安徽人，
四川大学工学硕士，应用工程师，主
要从事电源产品应用相关工作。
图6
- 50 -
仿真结果图