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在电源设计中，同步BUCK电路因其高效率、低损耗的特性被广泛应用于各类电子设备。然而，在轻载条件下，其效率往往急剧下降。为了解决这一问题，工程师引入了DEM（Diode Emulation Mode，二极管仿真模式），通过模拟非同步BUCK电路中二极管的行为，显著提升轻载效率。
本文将从BUCK电路原理、DEM的定义与实现机制、DEM的必要性等角度展开分析，并结合实际案例探讨其设计价值。
01 / BUCK原理简述 /
BUCK电路是一种经典的降压型DC-DC变换器，其核心目标是将输入的高压直流（如12V）转换为稳定的低压直流（如3.3V）。
其工作流程可分为两个阶段：
- 开关导通阶段：高边MOSFET导通时，输入电压施加在电感和负载上，电感电流线性上升，储能并供电。
- 开关关断阶段：高边MOSFET关断后，电感通过低边续流路径（同步BUCK为低边MOSFET，非同步BUCK为二极管）释放能量，维持负载电流。
同步BUCK与非同步BUCK的关键差异在于续流路径的器件选择：
- 非同步BUCK：使用二极管续流，导通压降高（约0.3-0.7V），轻载时效率较低。
- 同步BUCK：采用低边MOSFET替代二极管，导通压降极低（约数十毫伏），重载时效率优势显著，但轻载时因反向电流和开关损耗导致效率下降。
02 / 什么是DEM /
DEM是同步BUCK在轻载条件下的一种控制策略，其核心思想是模拟非同步BUCK中二极管的单向导电特性，以解决轻载效率问题。
具体实现方式为：
- 关闭低边MOSFET的主动驱动：在DEM模式下，低边MOSFET不再通过PWM信号主动控制，而是仅依靠体二极管或寄生二极管自然导通。
- 限制电流反向流动：当电感电流试图反向时（如轻载时的断续模式），低边MOSFET的体二极管因反向截止特性阻止电流回灌至输入侧，从而避免能量损耗。
DEM的典型特征：
- 触发条件：当负载电流低于设定阈值（如10%满载电流）时，控制器自动切换至DEM模式。
- 控制简化：无需复杂的电流检测算法，仅需监测负载状态即可实现模式切换。
03 / 为何要DEM /
同步BUCK在重载时效率优势明显，但在轻载时面临以下关键问题；DEM就是为了减小轻载条件下的功率损耗，从而提升转换效率。
- 反向电流损耗
在轻载条件下，电感电流可能进入断续模式（DCM）。此时，若低边MOSFET持续导通，电感电流会反向流动（从输出端流向输入端），导致以下问题：
- 能量回灌损耗
反向电流通过低边MOSFET的体二极管或导通电阻回灌至输入电容，造成能量浪费。
- 器件应力
反向电流可能引发MOSFET的寄生振荡，增加热损耗和器件老化风险。
- DEM的解决方案
通过禁止低边MOSFET主动导通，仅允许正向电流续流，彻底消除反向电流路径。
- 开关损耗占比上升
轻载时，导通损耗（与电流平方成正比）大幅降低，但开关损耗（与频率和电压平方成正比）成为主要损耗来源。例如：
- 同步BUCK在1MHz开关频率下
轻载时开关损耗占比可达总损耗的70%以上。
- DEM模式的作用
通过降低有效开关频率（仅在电流正向时导通），减少开关次数，从而降低损耗。
- 效率曲线的优化
根据文档《Nonsynchronous Buck Converters Offer Higher Efficiency at Lighter Loads》的测试数据：
- 在10%负载条件下，非同步BUCK（使用肖特基二极管）的效率比同步BUCK高8%-12%。
- 引入DEM模式后，同步BUCK的轻载效率可提升5%-10%，接近甚至超越非同步方案。
04 / 小结 /
DEM模式是同步BUCK在轻载场景下的关键优化技术，其设计价值体现在三个方面：
- 效率平衡：重载时保留同步整流的低导通损耗优势，轻载时通过DEM降低开关损耗和反向电流损耗。
- 系统保护：避免反向电流导致的能量浪费和器件应力，提升系统可靠性。
- 成本与复杂度控制：无需增加额外硬件，仅通过控制策略优化即可实现，适用于对成本和功耗敏感的场景（如IoT设备、可穿戴电子）。
未来，随着电源芯片集成度的提高，DEM模式将与自适应电压调节（AVS）、动态频率调整（DFS）等技术结合，进一步拓展同步BUCK的应用边界。