异步 Buck 设计手册（TI 设计表格）

TEXAS INSTRUMENTS · DESIGN WORKSHEET

异步 Buck 设计手册（TI 设计表格）

BUCK (Step Down) · 传递函数 · 元件选型完整流程 · 纹波校核

源自 TI 设计工作表（Lisa Dinwoodie，2001）· 肖特基二极管续流 · 全文示例：5 V → 1 V @ 2 A，250 kHz

1拓扑特性（BUCK / Step Down）

输出电压始终低于输入电压、且对体积有要求的场合使用。

优点

效率高——若把肖特基二极管换成同步开关管，效率更高。
开关电压应力低，仅为输入电压加二极管正向压降。
输出纹波小，输出滤波器相对小巧。

缺点

只有一路输出，且不隔离。
输入电流始终断续（无论电感电流是否连续），输入纹波电流大，需要较大的 EMI 滤波器。
需要高侧开关驱动。

Buck 变换器传递函数 TI 示例：D = 0.260

$$D = \frac{V_{OUT} + V_F}{V_{IN} - V_{RDSon}}$$

计入续流二极管正向压降 $V_F$ 与开关管导通压降 $V_{RDSon}$ 的实际传递函数，比理想式 $D = V_{OUT}/V_{IN}$ 更贴近实测。

2原理图与开关波形

上：异步 Buck 功率级（高侧开关 Q1、续流二极管 D1、电感 L1、输出电容 C_OUT）。下：栅极电压 V_G、开关管 V_DS、开关电流 I_Q1、二极管电流 I_D1、电感电流 I_L1 与输出电容电流 I_COUT 的稳态波形，dI 即纹波电流峰峰值。

TI 异步 Buck 原理图与开关波形：VG、VDS、IQ1、ID1、IL1、ICOUT — TI 设计表格原图：Buck 功率级原理图与各节点稳态波形

3设计输入（Requirements）

设计从以下需求参数出发，右列为 TI 表格自带的设计示例。

参数	符号	TI 示例	说明
输出电压	V_OUT	1 V	—
输入电压	V_IN	5 V	—
额定输出电流	I_OUT	2 A	P_OUT = V_OUT·I_OUT = 2 W
最小输出电流	I_OUTMIN	0.2 A	取 10%·I_OUT，CCM 保持边界
开关频率	f_SW	250 kHz	—
允许输出纹波（峰峰）	V_{pp_ripple}	10 mV	取 1%·V_OUT
二极管正向压降	V_F	0.25 V	肖特基
开关管导通电阻	R_DSon	0.1 Ω	工作点处取值
允许输入纹波（峰峰）	V_rippleIN	0.25 V	取 5%·V_IN，仍能维持稳压

4占空比与开关时序

开关管导通压降 TI 示例：0.2 V

$$V_{RDSon} = I_{OUT} \cdot R_{DSon}$$

占空比 TI 示例：0.260

$$D = \frac{V_{OUT} + V_F}{V_{IN} - V_{RDSon}} = \frac{1 + 0.25}{5 - 0.2} \approx 0.260$$

开关周期与导通时间 TI 示例：T = 4 µs，t_ON = 1.04 µs

$$T = \frac{1}{f_{SW}} \qquad t_{ON} = D \cdot T$$

5电感设计

最小电感按「最小输出电流（取额定 10%）下仍保持连续导通模式（CCM）」确定——电感纹波电流峰峰值不得超过 2 倍最小输出电流。

纹波电流峰峰值 TI 示例：0.4 A

$$I_{ppRIPPLE} = 2\, I_{OUTMIN}$$

最小电感值 TI 示例：9.9 µH

$$L_{min} = \frac{(V_{IN} - V_{RDSon} - V_{OUT}) \cdot t_{ON}}{2\, I_{OUTMIN}}$$

电感峰值电流 TI 示例：2.2 A

$$I_{PEAK} = I_{OUT} + \frac{I_{ppRIPPLE}}{2}$$

开关（漏极）电流波形是「阶跃 + 斜坡」：斜坡中点即输出直流电流，峰值 = 输出电流 + 半个纹波峰峰值。电感须按 $I_{PEAK}$ 不饱和选型。

电感储能 TI 示例：24 µJ

$$E = \tfrac{1}{2}\, L\, I_{PEAK}^{2}$$

6开关管与续流二极管

开关管 RMS 电流 TI 示例：1.02 A

$$I_{RMS} = \sqrt{D \left( I_{OUT}^{2} + \frac{I_{ppRIPPLE}^{2}}{12} \right)}$$

开关管导通损耗 TI 示例：0.105 W

$$P_{COND} = I_{RMS}^{2} \cdot R_{DSon}$$

开关管最低 V_DS 耐压 TI 示例：10.25 V

$$V_{DS(min)} = V_{IN} + V_F + 5\,\text{V}$$

最大漏源电压应力出现在开关关断瞬间——源极可能振铃到低于地约 5 V，故在 $V_{IN} + V_F$ 之上再留 5 V 振铃余量。

续流管选肖特基二极管：正向压降低、反向恢复特性好。换成 MOSFET 做同步整流效率更高。二极管须满足：

直流阻断电压 TI 示例：5 V

$$V_R = V_{IN}$$

平均整流输出电流 TI 示例：1.48 A

$$I_{AVE} = I_{OUT} \cdot (1 - D)$$

7输出电容

输出电容须在开关频率下阻抗远小于负载，使纹波电流几乎全部流入电容而非负载。流过输出电容的纹波电流等于去掉直流分量的电感电流。电容的 ESR 与容抗相位相反，会产生额外纹波，须按应用温度与频率下的额定纹波电流和 ESR 选型。

输出电容 RMS 纹波电流 TI 示例：0.115 A

$$I_{RMScap} = \frac{I_{ppRIPPLE}}{2\sqrt{3}}$$

最小输出电容 TI 示例：20 µF

$$C_{OUT(min)} = \frac{I_{ppRIPPLE}}{8\, f_{SW}\, V_{pp\_ripple}}$$

实际往往需要一组电容并联（bank）来分担纹波电流。设实际使用的电容组容量为 $C_{OUTbank}$（TI 示例：82 µF），则：

容值项纹波 TI 示例：2.4 mV

$$V_{PPcap} = \frac{I_{ppRIPPLE}}{8\, f_{SW}\, C_{OUTbank}}$$

允许的最大 ESR TI 示例：24.2 mΩ

$$ESR_{MAX} = \frac{\sqrt{V_{pp\_ripple}^{2} - V_{PPcap}^{2}}}{I_{ppRIPPLE}}$$

ESR 项纹波与总纹波校核 TI 示例：6 mV、6.5 mV ≤ 10 mV ✓

$$V_{PPESR} = I_{ppRIPPLE} \cdot ESR \qquad V_{PPtotal} = \sqrt{V_{PPcap}^{2} + V_{PPESR}^{2}}$$

容值项与 ESR 项相位相差 90°，故总纹波按方和根（RSS）合成，而非直接相加。TI 示例取实际 ESR = 15 mΩ，校核结果 6.5 mV，满足 10 mV 要求。

8输入电容

选型逻辑与输出电容相同，但输入电容（组）承受非常高的纹波电流——与开关漏极电流相同。允许输入纹波取 5%·V_IN（仍能维持稳压）。

输入电容 RMS 纹波电流 TI 示例：1.02 A

$$I_{RMS(CIN)} = I_{RMS} = \sqrt{D \left( I_{OUT}^{2} + \frac{I_{ppRIPPLE}^{2}}{12} \right)}$$

最小输入电容 TI 示例：4.4 µF

$$C_{IN(min)} = \frac{I_{PEAK}}{8\, f_{SW}\, V_{rippleIN}}$$

设实际使用的输入电容组容量为 $C_{INbank}$（TI 示例：47 µF），则：

容值项纹波 TI 示例：23.4 mV

$$V_{PPcap} = \frac{I_{PEAK}}{8\, f_{SW}\, C_{INbank}}$$

允许的最大 ESR TI 示例：113 mΩ

$$ESR_{MAX} = \frac{\sqrt{V_{rippleIN}^{2} - V_{PPcap}^{2}}}{I_{PEAK}}$$

ESR 项纹波与总纹波校核 TI 示例：220 mV、221 mV ≤ 250 mV ✓

$$V_{PPESR} = I_{PEAK} \cdot ESR \qquad V_{PPtotal} = \sqrt{V_{PPcap}^{2} + V_{PPESR}^{2}}$$

TI 示例取实际输入 ESR = 100 mΩ，校核结果 221 mV，满足 250 mV 要求。输入纹波通常由 ESR 项主导。

源自 TI Buck (Step Down) 设计工作表（Lisa Dinwoodie，2001）· 公式适用于稳态、理想元件近似，实际设计须结合器件手册、热设计与环路补偿核算。

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