如何使用PWM控制MOS管进行开关控制

首先，对三种英文名称进行一个简单的翻译：

BULK——降压

BOOST——升压

BULK-BOOST——升降压

对三种电路的共性进行一个研究，就会发现： 三种电路拓扑都是用最简单的电路元件构成的：电容、电感、二极管、MOS管(或三极管)，无需复杂的运算放大器结构。 这不仅节约了成本，也为电路选型和拓展提供了更多可能性。

1、BUCK电路拓扑

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BUCK电路拓扑示意图

如图所示即为BUCK电路(降压)的拓扑示意图，其中 开关部分往往使用PWM控制的MOS管进行开关控制实现 (这也是为什么这类电路叫做开关电源的原因)。

接下来，将对开关开启和关断时电路的情况进行分别讨论，并解释电路降压的工作原理。

当开关管关闭时，

电感被输入端施加的电压充电(充磁)，此外输入电压会施加到电容上，进而为电阻提供电压。由于电感会阻止自身两端电压的突变，所以传递给输出部分的只是一部分电压。输出电压逐渐升高，直到电感充电(充磁)完毕，输出电压升高至与输入电压相等。

当开关管开启时，

上一过程被充电(充磁)的电感开始释放能量，根据楞次定律：电感流出的电流由电感右侧出发回到电感左侧，故二极管正向导通(上一过程二极管反向截止)。输出电压逐渐降低，直到电感放电完毕，输出电压降低至0。

开关过程循环往复，输出电压一直在输入电压以下做波动(电容起到滤波的作用，可以减小纹波)，从而实现降压的目的。

输出电压与输入电压关系的计算，【 注意以下计算在CCM模式下进行，什么是CCM在之后会进行叙述】

设开关管的开启时间为t on ，关闭时间为t off ，那么占空比D为：

2、BOOST电路拓扑

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BOOST电路拓扑示意图

如图所示即为BOOST电路(升压)的拓扑示意图，BOOST电路与BULK电路的拓扑非常类似，只是电感、开关管、二极管进行了换位。接下来，将对开关开启和关断时电路的情况进行分别讨论，并解释电路升压的工作原理。

当开关管关闭时，

输入电压为电感充电(充磁)。由于二极管的作用，电容电压不会通过短路发生泄放。输出部分的电压由输出电容的电压维持。

当开关管打开时，

输出电压由两部分组成，一部分是输入电压，另一部分是上一过程中电感充电(充磁)的电压。输出电压由2倍输入电压逐渐降低至输入电压。此过程同时还会给电容充电，以使得开关管关闭时输出电压仍能得到短暂维持。

开关过程循环往复，输出电压一直在输入电压以上做波动(电容起到滤波的作用，可以减小纹波)，从而实现升压的目的。

输出电压与输入电压关系的计算，【 注意以下计算在CCM模式下进行】

设开关管的开启时间为t on ，关闭时间为t off ，那么占空比D为：

3、BULK-BOOST电路拓扑

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BUCK-BOOST电路拓扑示意图

如图所示即为BUCK-BOOST电路(升降压)的拓扑示意图，BUCK-BOOST电路与BULK电路的拓扑非常类似，只是电感、二极管进行了换位。接下来，将对开关开启和关断时电路的情况进行分别讨论，并解释电路升降压的工作原理。

当开关管关闭时，

输入电压为电感充电(充磁)。由于二极管的作用，电容电压不会通过短路发生泄放。输出部分的电压由输出电容的电压维持。

当开关管打开时，

输出电压由电感完全提供，电感输出的电压同时施加在了输出端和输出电容上，以短暂维持开关管关闭时的输出电压。特别需要注意的是， 电感的电流流向导致输出端的极性与输入端的极性相反 。

开关过程循环往复，输出电压一直在输入电压以上或以下做波动(电容起到滤波的作用，可以减小纹波)，从而实现升压或降压的目的。

输出电压与输入电压关系的计算，【 注意以下计算在CCM模式下进行】

设开关管的开启时间为t on ，关闭时间为t off ，那么占空比D为：

4、什么是CCM模式?

在前文中，我们多次提到了 CCM模式 ，那么什么是CCM模式呢?

CCM模式的全称为电流连续工作模式(Continuous Conduction Mode)，电流连续是针对电感电流的连续性来讨论的。

在前面的分析中，我们也知道了开关管开启和关闭会导致电感电流发生变化。 当电感电流在下降过程中还未下降到0便又被拉高的情形，我们便称为CCM模式 。也即电感没有经过“复位”的过程，电感磁通从未降低到0。

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CCM示意图

由于CCM模式下，电感电流是连续的，所以可以采用伏秒平衡原理来对电感电流进行计算。

**除了CCM模式，还有两种模式也比较常见，DCM模式和BCM模式。**其中， DCM模式全称为电流不连续工作模式(Discontinuous Conduction Mode) ， BCM模式全称为临界导通模式(Boundary Conduction Mode) 。

DCM模式即电感经历了“复位”的过程，电感磁通有下降到0的情况。

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DCM示意图

DCM模式即电感在“复位”的瞬间，电感又被充磁。这个过程往往需要一个MOS管来进行控制。

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BCM示意图

5、元器件选型指南

选型指南将分别对电路系统中出现的元器件逐个进行介绍：

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对于功率电感的选型，

对于大多数应用，建议使用1µH至10µH的电感器，其直流电流额定值至少比最大负载电流高25%。

为了获得更高的效率，请选择一个直流电阻较低的电感器。电感值越大，纹波电流越小，输出纹波电压越低，但物理尺寸越大，串联电阻越大，饱和电流越小。

确定电感器值的一个好的规则是允许电感器纹波电流约为最大负载电流的30%。

对于滤波电容的选型，

输入电容器可以是电解电容，钽电容或陶瓷电容，使用低ESR的电容。

**当使用电解电容器时，应在靠近输入的地方放置两个额外的优质陶瓷电容器。 **

对于续流二极管，

当开关断开时，输出整流二极管将电流提供给电感器。

为了减少由于二极管正向电压和恢复时间而造成的损耗，请使用 肖特基二极管 。

选择一个二极管，其 最大反向电压额定值大于最大输入电压 ，并且其 电流额定值大于最大负载电流 。