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在電源設(shè)計(jì)中，同步BUCK電路因其高效率、低損耗的特性被廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備。然而，在輕載條件下，其效率往往急劇下降。為了解決這一問題，工程師引入了DEM（Diode Emulation Mode，二極管仿真模式），通過模擬非同步BUCK電路中二極管的行為，顯著提升輕載效率。本文將從BUCK電路原理、DEM的定義與實(shí)現(xiàn)機(jī)制、DEM的必要性等角度展開分析，并結(jié)合實(shí)際案例探討其設(shè)計(jì)價(jià)值。
01 / BUCK原理簡(jiǎn)述 /
BUCK電路是一種經(jīng)典的降壓型DC-DC變換器，其核心目標(biāo)是將輸入的高壓直流（如12V）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的低壓直流（如3.3V）。
其工作流程可分為兩個(gè)階段：
開關(guān)導(dǎo)通階段：高邊MOSFET導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓施加在電感和負(fù)載上，電感電流線性上升，儲(chǔ)能并供電。
開關(guān)關(guān)斷階段：高邊MOSFET關(guān)斷后，電感通過低邊續(xù)流路徑（同步BUCK為低邊MOSFET，非同步BUCK為二極管）釋放能量，維持負(fù)載電流。
同步BUCK與非同步BUCK的關(guān)鍵差異在于續(xù)流路徑的器件選擇：
非同步BUCK：使用二極管續(xù)流，導(dǎo)通壓降高（約0.3-0.7V），輕載時(shí)效率較低。
同步BUCK：采用低邊MOSFET替代二極管，導(dǎo)通壓降極低（約數(shù)十毫伏），重載時(shí)效率優(yōu)勢(shì)顯著，但輕載時(shí)因反向電流和開關(guān)損耗導(dǎo)致效率下降。
02 / 什么是DEM /
DEM是同步BUCK在輕載條件下的一種控制策略，其核心思想是模擬非同步BUCK中二極管的單向?qū)щ娞匦?/strong>，以解決輕載效率問題。
具體實(shí)現(xiàn)方式為：
關(guān)閉低邊MOSFET的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)：在DEM模式下，低邊MOSFET不再通過PWM信號(hào)主動(dòng)控制，而是僅依靠體二極管或寄生二極管自然導(dǎo)通。
限制電流反向流動(dòng)：當(dāng)電感電流試圖反向時(shí)（如輕載時(shí)的斷續(xù)模式），低邊MOSFET的體二極管因反向截止特性阻止電流回灌至輸入側(cè)，從而避免能量損耗。
DEM的典型特征：
觸發(fā)條件：當(dāng)負(fù)載電流低于設(shè)定閾值（如10%滿載電流）時(shí)，控制器自動(dòng)切換至DEM模式。
控制簡(jiǎn)化：無需復(fù)雜的電流檢測(cè)算法，僅需監(jiān)測(cè)負(fù)載狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)模式切換。
03 / 為何要DEM /
同步BUCK在重載時(shí)效率優(yōu)勢(shì)明顯，但在輕載時(shí)面臨以下關(guān)鍵問題；DEM就是為了減小輕載條件下的功率損耗，從而提升轉(zhuǎn)換效率。
反向電流損耗
在輕載條件下，電感電流可能進(jìn)入斷續(xù)模式（DCM）。此時(shí)，若低邊MOSFET持續(xù)導(dǎo)通，電感電流會(huì)反向流動(dòng)（從輸出端流向輸入端），導(dǎo)致以下問題：
能量回灌損耗：反向電流通過低邊MOSFET的體二極管或導(dǎo)通電阻回灌至輸入電容，造成能量浪費(fèi)。
器件應(yīng)力：反向電流可能引發(fā)MOSFET的寄生振蕩，增加熱損耗和器件老化風(fēng)險(xiǎn)。
DEM的解決方案：通過禁止低邊MOSFET主動(dòng)導(dǎo)通，僅允許正向電流續(xù)流，徹底消除反向電流路徑。
開關(guān)損耗占比上升
輕載時(shí)，導(dǎo)通損耗（與電流平方成正比）大幅降低，但開關(guān)損耗（與頻率和電壓平方成正比）成為主要損耗來源。例如：
同步BUCK在1MHz開關(guān)頻率下：輕載時(shí)開關(guān)損耗占比可達(dá)總損耗的70%以上。
DEM模式的作用：通過降低有效開關(guān)頻率（僅在電流正向時(shí)導(dǎo)通），減少開關(guān)次數(shù)，從而降低損耗。
效率曲線的優(yōu)化
根據(jù)文檔《Nonsynchronous Buck Converters Offer Higher Efficiency at Lighter Loads》的測(cè)試數(shù)據(jù)：
在10%負(fù)載條件下，非同步BUCK（使用肖特基二極管）的效率比同步BUCK高8%-12%。
引入DEM模式后，同步BUCK的輕載效率可提升5%-10%，接近甚至超越非同步方案。
04 / 小結(jié) /
DEM模式是同步BUCK在輕載場(chǎng)景下的關(guān)鍵優(yōu)化技術(shù)，其設(shè)計(jì)價(jià)值體現(xiàn)在三個(gè)方面：
效率平衡：重載時(shí)保留同步整流的低導(dǎo)通損耗優(yōu)勢(shì)，輕載時(shí)通過DEM降低開關(guān)損耗和反向電流損耗。
系統(tǒng)保護(hù)：避免反向電流導(dǎo)致的能量浪費(fèi)和器件應(yīng)力，提升系統(tǒng)可靠性。
成本與復(fù)雜度控制：無需增加額外硬件，僅通過控制策略優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)，適用于對(duì)成本和功耗敏感的場(chǎng)景（如IoT設(shè)備、可穿戴電子）。
未來，隨著電源芯片集成度的提高，DEM模式將與自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）、動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整（DFS）等技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步拓展同步BUCK的應(yīng)用邊界。
