Buck电路（降压变换器）是一种将输入直流电压转换为较低输出直流电压的开关电源拓扑。它是应用最广泛的DC-DC变换器之一，效率高、体积相对较小。

其基本原理可以概括为：通过快速开关一个半导体器件（通常是MOSFET），配合电感和电容进行滤波，利用电感的储能和释能特性，以及改变开关导通时间的比例（占空比D），来实现降压和稳压。

以下是Buck电路工作原理的详细分解：

一、核心元件：

开关管 (S): 通常为MOSFET，受控于PWM（脉宽调制）信号，在高频下（几十kHz到几MHz）周期性地导通和关断。

续流二极管 (D): 或同步整流管（另一个MOSFET），在开关管关断时为电感电流提供续流通路。

电感 (L): 核心储能元件，在开关导通时储存能量，在开关关断时释放能量到负载和输出电容。

输出电容 (C): 滤波元件，储存能量，平滑输出电压，减小纹波。

负载 (Rload): 消耗电能的设备或电路。

控制电路： 产生PWM信号驱动开关管，通过反馈（输出电压采样）调节占空比D以维持输出电压稳定。

二、工作过程（一个开关周期）：

Buck电路工作在连续导通模式下（电感电流始终大于零）最为常见，其工作过程可分为两个主要阶段：

阶段 1：开关导通 (Ton)

控制电路使开关管S导通。

输入电压Vin施加在电感L和负载（通过C）串联的回路两端。此时二极管D因承受反向电压而截止。

电流路径：Vin+ -> S -> L -> C//Rload -> Vin-。

电感L两端的电压为VL = Vin - Vout (假设Vout基本恒定)。由于Vin > Vout，这个电压是正的。

根据电感特性VL = L * di/dt，正的VL会使电感电流IL线性增加，电感储存磁能。

同时，输出电容C向负载Rload提供部分电流，并开始被充电（因为输入电流IL大于负载电流Iload，多余的电流给C充电）。

阶段 2：开关关断 (Toff)

控制电路使开关管S关断。

由于电感电流不能突变，电感L会产生一个反向电动势（极性反转）来维持电流方向。

续流二极管D（或同步整流管）因此正向偏置而导通，为电感电流提供通路。

电流路径：地 -> D -> L -> C//Rload -> 地 (电流方向不变)。

电感L两端的电压此时变为VL = -Vout (忽略二极管压降)。这个电压是负的。

根据VL = L * di/dt，负的VL会使电感电流IL线性减小，电感将其储存的磁能释放给负载和输出电容C。

此时，负载电流由电感L和输出电容C共同提供。电容C可能会轻微放电（如果IL < Iload）或充电（如果IL > Iload）。

三、输出电压与占空比的关系（理想情况）：

在稳态下，电感在一个周期内的伏秒积必须平衡（即电感磁通净变化为零）。

导通阶段 (Ton): 施加在电感上的电压 = Vin - Vout， 时间 = Ton

关断阶段 (Toff): 施加在电感上的电压 = -Vout (忽略二极管压降)， 时间 = Toff

伏秒平衡：(Vin - Vout) * Ton = Vout * Toff

整理得：Vout * (Ton + Toff) = Vin * Ton

因为Ton + Toff = T (开关周期)， Ton / T = D (占空比)

所以理想Buck电路的输出电压公式为：Vout = D * Vin

由此可见，通过改变占空比D (0 < D < 1)，即可连续调节输出电压Vout，且Vout恒小于Vin，实现了降压功能。

四、关键波形：

开关驱动信号 (VG): 方波，高电平导通S，低电平关断S。

电感电压 (VL): 在Ton期间为 Vin - Vout (正)，在Toff期间为 -Vout (负)。

电感电流 (IL): 在Ton期间从最小值 Imin 线性上升到最大值 Imax。在Toff期间从 Imax 线性下降到 Imin。平均电感电流等于负载电流 Iload。

输出电压 (Vout): 在电容C的作用下，围绕其直流值 D*Vin 有较小的纹波电压。纹波大小取决于L、C的值和开关频率。

五、核心作用：

降压： Vout = D * Vin < Vin

稳压： 控制电路通过反馈环路（通常采样Vout）实时调整占空比D，以补偿输入电压Vin波动或负载变化对Vout的影响，保持输出电压稳定。

高效能量传递： 开关管大部分时间工作在饱和导通（低损耗）或完全关断（极低损耗）状态，续流二极管（或同步整流管）在关断期间导通损耗也较低，因此整体效率很高（常>90%）。

六、重要概念：

连续导通模式 vs. 断续导通模式： CCM要求最小负载电流足够大，保证 Imin > 0。如果负载很轻，电感电流会降到零并保持为零一段时间（DCM），此时输出电压公式会有所不同，且控制更复杂。大多数设计目标是在预期负载范围内工作在CCM。

纹波： 输出电压和电感电流都存在纹波。增大电感L、电容C或提高开关频率fs都可以有效减小纹波。

开关频率： 更高的频率允许使用更小的L和C，减小变换器体积，但会增加开关损耗和电磁干扰。需要权衡选择。

同步整流： 用导通电阻极低（损耗小）的MOSFET代替续流二极管，可以进一步提高效率，尤其适用于低输出电压应用。

总结：

Buck电路利用高速开关（MOSFET）、电感的储能/释能特性、二极管的续流作用和电容的滤波作用，通过精确控制开关导通时间的比例（占空比D），高效地将较高的输入直流电压（Vin）转换为较低的、稳定的输出直流电压（Vout = D * Vin）。其高效率、小体积和良好的稳压性能使其成为现代电子设备中不可或缺的电源解决方案。