上一篇分析输入高频电流回路时我们把 BUCK 的布局优先级概括为输入高频电流回路 → SW区域与电感 → 输出回路 → 反馈及其他小信号电路输入侧的电流会随着高侧开关的导通和关断快速出现、消失因此输入陶瓷电容与功率开关组成的局部回路需要优先缩小。到了电感之后情况发生了变化。SW节点仍然是接近输入电压与接近地电位之间切换的脉冲电压输出端却能得到相对稳定的直流电压。这中间发生了什么电感如何把脉冲电压变成连续的三角波电流输出电容在一个开关周期内怎样充电和放电输出电容已经滤波输出电压为什么仍然存在纹波主输出电容为什么靠近电感输出端而不能只放在输出接口附近输出电源需要换层时过孔为什么通常放在主输出电容之后这些问题可以用一条逻辑链来回答SW脉冲电压 → 电感两端电压 → 电感三角波电流 → 电容充放电电流 → 输出电压纹波一、SW节点输出的是脉冲电压同步 BUCK 的功率级主要包含高侧 MOSFET QH低侧 MOSFET QL电感 L输出电容 COUT负载。理想情况下高侧 MOSFET 导通时SW节点电压接近VIN低侧 MOSFET 导通时SW节点电压接近0 V。因此SW节点形成幅值大约为VIN的脉冲电压。真实电路还会受到MOSFET导通压降、死区时间、体二极管导通、封装寄生参数和振铃影响SW波形不会是完全理想的矩形波。不过对输出滤波原理进行第一步分析时可以先使用理想波形。二、电感为什么会产生三角波电流电感的基本关系可以写成VL L × diL/dt也可以整理为diL/dt VL/L其中VL是电感两端电压L是电感量diL/dt是电感电流变化速度。只要知道一个开关状态下电感两端的电压就能判断电感电流上升还是下降以及变化速度有多快。1. 高侧MOSFET导通电感电流上升高侧MOSFET导通、低侧MOSFET关断时SW节点电压接近VIN。电感左端约为VIN右端约为VOUT因此VL(on) ≈ VIN - VOUT电感电流上升斜率为diL/dt ≈ (VIN - VOUT)/LVIN通常高于VOUT所以电感电流近似线性上升。此时输入端向电感、输出电容和负载传递能量。2. 低侧MOSFET导通电感电流下降高侧MOSFET关断、低侧MOSFET导通时SW节点被拉到接近0 V。电感右端仍保持在VOUT附近因此按照从SW指向输出端的电压方向VL(off) ≈ -VOUT电感电流下降斜率为diL/dt ≈ -VOUT/L电感电流不能瞬间跳变所以它仍然沿原方向流向输出只是数值逐渐减小。3. 为什么波形接近三角形在每个开关状态中如果VIN、VOUT和L在一个周期内近似不变那么电感两端电压近似恒定diL/dt也近似恒定。高侧导通期间电感电流沿固定斜率上升低侧导通期间电感电流沿另一固定斜率下降。两个线性斜坡连续连接就形成了近似三角形的电流纹波。电感纹波电流峰峰值可以估算为ILpp ≈ (VIN - VOUT) × D / (L × fs)也可以从关断阶段计算ILpp ≈ VOUT × (1 - D) / (L × fs)其中ILpp为电感纹波电流峰峰值D为高侧开关占空比fs为开关频率。在理想BUCK中D约等于VOUT/VIN。真实转换器还需要考虑效率、导通压降、最小导通时间和控制方式具体计算应以芯片数据手册为准。三、电感电流的后续流向电感后方连接着负载和输出电容。根据输出节点的电流关系iL iLOAD iCOUT整理后得到iCOUT iL - iLOAD这条关系是理解输出纹波的关键。在负载电流近似恒定、转换器处于CCM稳态时电感平均电流约等于输出负载电流IL(avg) ≈ IOUT原因是输出电容在一个完整开关周期内的平均电流必须为零。电容可以在周期的一部分时间储存电荷再在另一部分时间释放电荷但稳态下不能持续积累净电荷。1. 电感电流高于负载电流当iL大于iLOAD时iCOUT 0电感除了承担负载电流还把多余电流送入输出电容。输出电容获得净电荷端电压上升。2. 电感电流低于负载电流当iL小于iLOAD时iCOUT 0此时电感提供的电流暂时不足输出电容释放此前储存的电荷补足负载所需电流端电压下降。因此输出电容在一个开关周期内反复充电和放电。它处理的主要是电感纹波电流。四、为什么输出电压含有纹波理想电容满足iC C × dvC/dt整理后得到dvC/dt iC/C只要输出电容中存在交流电流它的端电压就会随电荷变化。电容量越大同样电流引起的电压变化通常越小开关频率越高每次充放电持续时间越短由充放电产生的电压纹波也通常越小。真实电容还包含等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL所以输出纹波至少需要分成三部分理解。1. 电容量引起的充放电纹波电容吸收和释放纹波电流电荷变化形成较平滑的低频纹波。其大小与有效电容量、开关频率和电感纹波电流有关。这里需要使用工作电压、温度和频率条件下的有效电容量。这块详细的原理后面会写一篇文章进行讲解。2. ESR引起的电压纹波纹波电流流过电容ESR会立即形成电压变化可以近似估算为Vpp_ESR ≈ ILpp × ESR电解电容和部分聚合物电容的ESR项可能占较大比例。MLCC的ESR通常较低但其有效电容量和封装寄生参数仍然需要检查。3. ESL和PCB寄生参数引起的开关尖峰MOSFET切换边沿包含很高的dv/dt和di/dt。电容ESL、封装电感、走线和过孔寄生电感以及节点间寄生电容会在开关瞬间形成高频尖峰或振铃。因此示波器上看到的输出波形通常同时包含与开关频率相关的周期性输出纹波集中在开关边沿附近的高频尖峰和振铃负载变化引起的较慢过冲或跌落测量回路自身引入的伪差。这些现象的成因不同不能只用增加COUT一个办法处理。五、主输出电容为什么靠近电感输出端输出电容承担电感纹波电流是BUCK功率级的一部分。它需要先在电感输出端建立局部、低阻抗的滤波路径再由相对稳定的输出节点向负载供电。可以把推荐的连接顺序概括为电感输出端 → 主输出电容所在的稳定输出节点 → 输出平面或换层过孔 → 输出接口与负载如果主输出电容只放在较远的输出接口附近电感纹波电流就需要先经过一段较长的走线、铜皮或过孔才能到达电容。这段路径中的寄生电阻和寄生电感会带来几个问题纹波电流在路径阻抗上形成额外电压波动电感到输出电容之间的交流电流路径变长输出节点不同位置可能出现不同的纹波和直流压降反馈采样点如果选择不当控制器测到的电压可能与负载端不同开关尖峰更容易沿输出铜皮扩散到其他电路。六、输出电源需要换层时过孔应该放在哪里如果BUCK功率级位于顶层而输出电源需要通过内层或底层送往负载一个实用的优先顺序是L → 本地主输出电容节点 → 负载侧换层过孔 → 输出平面或输出接口这样可以先在同一局部区域内完成电感纹波电流的主要滤波再让较平稳的输出电流进入其他层。如果把输出换层过孔放在电感与主输出电容之间那么这组过孔将承载电感电流中的交流纹波并把额外寄生电感加入功率级输出路径。多个并联过孔可以降低阻抗但通常仍应优先避免无必要的换层。“输出过孔放在输出电容后”指的是向负载输送输出电流的换层位置。它不包括输出电容GND端附近的接地过孔。输出电容GND端往往需要通过紧邻焊盘的地过孔连接完整地平面以缩短返回路径并降低阻抗。如果封装引脚周围电路密集使功率级无法在同一层完成也不能死板地禁止过孔。更可行的处理方法包括缩短过孔前后的连接大电流路径使用多个并联过孔让去程与返回路径靠近保证参考平面连续优先复用数据手册或评估板已经验证的布局结构。七、输出回路为什么排在输入高频回路之后输入侧和输出侧都可能承载较大的电流但两者的电流波形不同。输入高频回路中的开关电流会在高侧MOSFET导通和关断时快速出现、消失具有很高的di/dt。路径上的少量寄生电感就可能形成明显的电压尖峰和振铃。输出侧串联了电感。电感限制电流突变使输出电流在CCM下保持连续。输出电容主要承担电感纹波电流通常小于全部负载电流。因此输出侧对开关瞬间寄生电感的敏感程度一般低于输入热回路。所以输入高频回路确定后应立即处理SW区域、电感和主输出电容形成紧凑的完整功率级。八、如何进行输出电容选型输出电容的选型至少需要同时检查1. 有效电容量MLCC会受到直流偏压、温度、介质类型和容差影响。计算中需要使用工作条件下的有效值。2. ESR和ESLESR影响稳态纹波和损耗ESL及PCB寄生电感影响开关边沿附近的高频尖峰。3. 纹波电流能力和温升输出电容需要长期承受交流纹波电流。电解和聚合物电容尤其需要检查允许纹波电流、温升和寿命。4. 负载瞬态负载突然增加时电感电流不能瞬间上升短时间内需要输出电容补充电流负载突然减小时电感多余能量也会进入输出电容。稳态纹波满足要求不代表负载瞬态一定满足要求。5. 控制环稳定性输出电容是功率级和控制环的一部分。不同控制架构对COUT范围、ESR和电感组合可能有明确限制。随意增加大量低ESR陶瓷电容也可能改变环路动态特性。因此输出电容容量、类型、数量和位置应首先遵循具体芯片数据手册及评估板设计再使用通用公式做估算和解释。结语BUCK输出端能够从SW脉冲电压得到相对稳定的直流电压依靠的是电感和输出电容的连续配合。电感两端电压决定电感电流的变化速度使SW矩形脉冲转化为连续的三角波电流电感电流高于负载电流时输出电容充电低于负载电流时输出电容放电。电容的周期性充放电、ESR、ESL以及PCB寄生参数共同构成了实际输出纹波。下一篇将继续讨论一个更敏感的问题FB引脚几乎不承载功率电流为什么一段位置不合适的反馈走线却可能影响整个BUCK的输出电压。参考资料Texas Instruments, Basic Calculation of a Buck Converters Power StageTexas Instruments, Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power SuppliesTexas Instruments, Five steps to a great PCB layout for a step-down converterAnalog Devices, Buck Power Stage Design EquationsAnalog Devices, AN-1144: Measuring Output Ripple and Switching Transients in Switching Regulators初次整理2026-07-17适用范围固定频率、连续导通模式下常见同步或异步BUCK的基础分析。轻载DCM、PFM、跳脉冲、强制连续导通等模式的波形与纹波计算可能不同具体设计应优先遵循对应芯片数据手册和评估板资料。
