Buck 电路完整工作过程：储能、续流、滤波与反馈
这张图是在前面“PWM 平均降压”的基础上，把 Buck 电路完整补齐：
VIN → 开关管 S1 → 电感 L → VOUT
↓
续流二极管 D
VOUT 端并联：
电容 C
负载 RL
VOUT 再经过反馈 FB 回到控制电路
Buck 的本质不是简单把方波平均成较低电压，而是：
开关管周期性输入能量
电感周期性储能和放能
二极管提供关断后的续流通道
电容稳定输出电压
反馈电路自动调整 PWM 占空比
一、各器件分别做什么
1. 开关管 S1
S1 一般由 MOS 管实现，由控制电路输出 PWM 信号控制。
PWM 高电平 → S1 导通
PWM 低电平 → S1 关断
S1 的作用是把稳定直流 VIN 切成高速脉冲。
2. 电感 L
电感的核心规律：
电感电流不能突变
公式：
VL = L × di/dt
因此电感会把开关管产生的突变电流，变成连续上升和下降的电流。
3. 二极管 D
二极管 D 是续流二极管。
S1 导通时：D 截止
S1 关断时：D 导通
它的作用是在 S1 关断后，给电感电流提供继续流动的回路。
4. 电容 C
电容的核心规律：
电容两端电压不能突变
公式：
I = C × dV/dt
电容会在输出偏高时充电、输出偏低时放电，把 VOUT 附近的波动压小。
5. 负载 RL
RL 代表后级负载，例如 MCU、电机驱动、传感器或其他电路。
6. 反馈 FB
反馈线把 VOUT 的变化送回控制器。
VOUT 偏低 → 控制器增大占空比
VOUT 偏高 → 控制器减小占空比
因此 Buck 是一个闭环稳压系统。
二、阶段 A：开关管导通，电感储能
当 S1 导通时，电流路径为：
VIN → S1 → L → C / RL → GND
此时：
1. VIN 直接向后级送能量
2. 电感电流逐渐上升
3. 电感储存磁场能量
4. 同时给负载供电
5. 多余电流给电容充电
6. 续流二极管 D 反向截止
电感两端电压近似为：
VL(on) = VIN - VOUT
所以电感电流上升斜率为：
diL/dt = (VIN - VOUT) / L
也就是图中 A 段电流逐渐向上爬。
三、阶段 B：开关管关断，电感放能并续流
当 S1 关断时，VIN 与后级暂时断开。 但是电感电流不能瞬间变成 0，因此电感会改变自身两端电压极性，继续维持原来的电流方向。 续流路径为：
GND → 二极管 D → 电感 L → C / RL → GND
此时：
1. 电感释放之前储存的能量
2. 电感继续给负载供电
3. 二极管 D 导通形成续流回路
4. 电感电流逐渐下降
5. 电容辅助维持 VOUT
电感两端电压近似为：
VL(off) ≈ -VOUT
所以电感电流下降斜率为：
diL/dt ≈ -VOUT / L
也就是图中 B 段电流逐渐下降。
四、为什么电感电流是三角波
因为一个周期内：
Ton：S1 导通，电感电流线性上升
Toff：S1 关断，电感电流线性下降
所以电感电流形成近似三角波：
I_L
↑
│ /\ /\ /\
│ / \ / \ / \
│_____/ \____/ \____/ \___→ t
A B A B
其中：
A：开关导通，电感储能，电流上升
B：开关关断，电感放能，电流下降
这个三角波不是故障，而是 Buck 正常工作的基本特征。
五、电容为什么还能把输出电压变平滑
负载电流通常比较稳定，但电感电流会围绕平均值上下波动。
当电感电流大于负载电流
多余电流流入电容
→ 电容充电
→ VOUT 略微上升
当电感电流小于负载电流
电容向负载放电
→ 补足缺少的电流
→ VOUT 略微下降
所以输出电压不会完全没有波动，而是在目标电压附近存在小纹波。
理想直流：完全水平
实际 Buck：目标电压附近有很小的周期性纹波
六、连续导通模式 CCM
图里电感电流始终没有降到 0，这种状态叫：
CCM：Continuous Conduction Mode
连续导通模式
特点：
每个周期内，电感电流都大于 0
电流连续
输出纹波较小
常见于中重负载
如果负载很轻，电感电流可能降到 0，则进入 DCM：
DCM：Discontinuous Conduction Mode
断续导通模式
初学阶段先掌握 CCM 的两个阶段即可。
七、为什么理想 Buck 有 VOUT = D × VIN
稳态时，电感一个周期内储存的能量和释放的能量平衡。 从电感伏秒平衡看：
导通阶段：(VIN - VOUT) × Ton
关断阶段：(-VOUT) × Toff
一个周期内电感平均电压为 0：
(VIN - VOUT) × Ton - VOUT × Toff = 0
因为：
D = Ton / T
Ton + Toff = T
最终得到：
VOUT = D × VIN
例如 12V 降到 5V：
D = VOUT / VIN
= 5 / 12
≈ 41.7%
这是理想关系。实际电路还会受到 MOS 导通压降、二极管压降、电感 DCR、开关损耗等影响。
八、反馈闭环怎么稳定 VOUT
真实 Buck 不能只固定一个占空比，因为：
VIN 会变化
负载会变化
器件存在损耗
所以控制器要不断检测 VOUT。
VOUT 偏低
VOUT ↓
→ FB ↓
→ 控制器增大 Ton 或占空比 D
→ 每周期输入能量增加
→ VOUT 回升
VOUT 偏高
VOUT ↑
→ FB ↑
→ 控制器减小 Ton 或占空比 D
→ 每周期输入能量减少
→ VOUT 回落
最终把输出稳定在设定值附近。
九、自绘完整工作图
S1
VIN ─────────── 开关管 ────●──── L ─────●──── VOUT
│ │
D C
│ │
GND GND
│
RL
│
GND
VOUT ─────────────── FB ─────────────→ 控制器
控制器 ───────────── PWM ────────────→ S1
S1 导通：VIN → S1 → L → 负载，电感储能
S1 关断：D → L → 负载，电感续流放能
C：吸收和释放电荷，稳定输出电压
FB：检测输出并调节 PWM 占空比
十、PCB 设计时的直接对应
原理理解后，PCB 布局要抓住三个高频大电流回路。
输入热回路
输入电容 → 高侧开关管 → GND
面积必须尽量小。
开关节点 SW
开关管、二极管、电感之间的节点
SW 节点电压高速跳变，铜皮不能铺得过大，必须远离 FB。
输出回路
电感 → 输出电容 → GND
输出电容应靠近电感和负载回流路径。
布局口诀
输入电容贴 VIN
二极管贴 SW
电感贴 SW
输出电容贴电感
FB 远离 SW 和电感
大电流回路短、粗、小
十一、最终速记
开关管：控制输入能量
电感：储能、放能，防止电流突变
二极管：开关关断时续流
电容：防止电压突变，降低输出纹波
反馈：检测 VOUT，自动调节占空比
Buck 每个周期都在重复“开关导通、电感储能”和“开关关断、电感续流放能”两个阶段；电容负责平滑输出电压，反馈负责调整 PWM，占空比决定理想输出电压。