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BUCK 降壓電源電路原理

2024/6/13 10:54:03??????點(diǎn)擊:
      在電子電路中,電源一般分為兩類(lèi),一類(lèi)是線(xiàn)性電源,一類(lèi)是開(kāi)關(guān)電源。線(xiàn)性電源具有電路簡(jiǎn)單、面積小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源雖然噪聲大、面積大,但是具有效率高和熱損小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用。


      開(kāi)關(guān)電源還可以細分為降壓型、升壓型和升降壓幾類(lèi)。也可按照隔離、非隔離,或者同步、非同步再進(jìn)一步細分。在手機、電腦等消費電子領(lǐng)域,降壓型BUCK電源應用非常廣泛,是電源工程師的入門(mén)課。


      圖2-1 (a)是DC-DC BUCK降壓電源的原理圖,如果不搞懂BUCK的原理而只按照官方參考原理圖來(lái)設計的話(huà),可能不會(huì )得到一個(gè)優(yōu)秀可靠的電源,我們一定要以一個(gè)更深入的角度看待問(wèn)題,只有這樣,個(gè)人能力才會(huì )有提高。


      (b)是芯片內部的功能框圖,我們可以看到有兩個(gè)MOS Q1和Q2,這種有兩個(gè)控制MOS的BUCK被稱(chēng)為同步BUCK,異步BUCK中使用二極管代替Q2,把圖中的開(kāi)關(guān)部分和外圍電感提取出來(lái)就構成了圖2-2 的經(jīng)典的異步BUCK拓撲圖,圖2-2 中的S對應圖2-1 的Q1,圖2-2 中的D對應圖2-1 中的Q2。


      
      圖2-1BUCK原理圖與內部框圖


      下面就介紹降壓型BUCK電路的基本工作原理,并進(jìn)行原理仿真。為了把我們的主要精力放在理解BUCK原理上,我們選擇非同步BUCK進(jìn)行開(kāi)環(huán)分析,也就是電路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管,由二極管對電感進(jìn)行續流放電,見(jiàn)圖2-2 ,簡(jiǎn)約的東西經(jīng)過(guò)組合往往會(huì )迸發(fā)出不可思議的結果,BUCK就是這樣的電路。


      
      圖2-2BUCK電源拓撲


      圖2-2 中,當開(kāi)關(guān)S導通時(shí),SW電壓為高電壓,等于Vin,Vin給電感L充電,流過(guò)電感L的電流逐漸增加,充電電流路徑如圖中虛線(xiàn)箭頭所示,電感電流充電波形見(jiàn)圖2-3 ,SW高電平時(shí)電感處于充電狀態(tài)。


      當開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí),SW為低電平,電感L通過(guò)負載和二極管D放電,電感L的電流逐漸減小,放電電流路徑見(jiàn)圖2-2 實(shí)線(xiàn)箭頭部分,電感放電波形見(jiàn)圖2-3 。


      BUCK的基本工作過(guò)程就是對電感充放電的過(guò)程。


      這里有個(gè)小說(shuō)明,在同步BUCK中D會(huì )被開(kāi)關(guān)代替,以提高效率。在S斷開(kāi)時(shí),SW位置的電壓是0,但是本章中使用的是續流二極管,則在S斷開(kāi)時(shí),SW其實(shí)是有一部分的負電壓的,差不多是-0.7V,這個(gè)問(wèn)題在2.5.1節會(huì )有詳細介紹。


      
      圖2-3BUCK開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓波形和電感電流波形


      下面推導BUCK輸入、輸出電壓的計算關(guān)系,我們先不用管什么伏秒特性,只看最基本、最本質(zhì)、與電感有關(guān)的公式(2-1)
      
      V是電感兩端的電壓,L是電感量,△I是電感兩端電流的變化量,△t是經(jīng)過(guò)的時(shí)間,將公式(2-1)變換得到公式(2-2):
     
      在BUCK建立穩態(tài)后,一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內,電感充、放電的電流是相等的,T*D是充電的時(shí)間,T*(1-D)是放電的時(shí)間(T為開(kāi)關(guān)周期;D為占空比,就是開(kāi)關(guān)(上管)導通的時(shí)間占整個(gè)開(kāi)關(guān)周期的百分比),在穩態(tài)時(shí)電感充放電是相等的,可得到公式(2-3):
     
      在充電時(shí)可得到公式(2-4),充電時(shí)電感兩端的電壓等于Vin-Vout,
      
      同樣的道理,可以計算得到放電過(guò)程電感電流的變化量:
     
      聯(lián)立2-3、2-4、2-5整理得到:
      
      非常簡(jiǎn)單的計算過(guò)程,一點(diǎn)也不復雜。從公式(2-6)可以看出,由于D是小于1的數,因此輸出Vo是小于輸入Vi的,因此BUCK是降壓電源。


      下面看下基于Multisim軟件的BUCK原理仿真,本書(shū)中所提供仿真電路僅供交流學(xué)習使用,實(shí)際工程要考慮的參數、因素太多,本書(shū)只關(guān)注所涉及的知識內容。仿真原理圖見(jiàn)圖2-4 ,輸入電壓Vin=10V,開(kāi)關(guān)頻率為2kHz,10Vpp方波,占空比是50%,電感取2.2mH。
      
      圖2-4BUCK電源仿真


      圖2-5 是在BUCK電源輸出端并聯(lián)了47uF電容后的結果,紅色方波是開(kāi)關(guān)節點(diǎn)SW位置電壓波形(方波的-0.7V電壓在2.5.1節有詳細介紹),黑色平滑曲線(xiàn)是輸出的電流波形,也就是電感充放電的電流波形。通過(guò)開(kāi)關(guān)管對電感充放電,可以明顯看到電流充放電時(shí)的平滑三角波形(電容有濾波效果)。輸入電壓是10V,占空比是50%,測試得到輸出電壓DC值是4.3V,接近公式2-6推導的10*50%=5V,思考:為什么計算和仿真相差0.7V呢?


      圖2-6 是斷開(kāi)C1 47uF電容的仿真結果,黑色電流曲線(xiàn)更接近三角波(無(wú)電容濾波效果),輸出電壓的紋波也會(huì )跟著(zhù)變的陡峭。當改變輸出電容時(shí),有助于緩解輸出電壓的紋波,然而由于BUCK開(kāi)關(guān)架構的先天特點(diǎn),此紋波無(wú)法消除,只可以對它的紋波進(jìn)行抑制。


      同時(shí),我們也可以看到由于續流二極管的存在,當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后,紅色波形有小段的負電壓,這個(gè)負電壓大約是-0.7v,這是和二極管相關(guān),接近二極管的導通電壓。與此同時(shí),由于此二極管的存在,輸入輸出關(guān)系也略微改變,導致輸出輸入關(guān)系與公式2-6略有差異。這個(gè)二極管是會(huì )消耗能量的,為了進(jìn)一步提升BUCK電源的效率就出現了同步BUCK電路,將續流二極管更換為開(kāi)關(guān)管就可以得到同步BUCK電源。


      以上就是BUCK降壓電源的原理介紹。

      
      圖2-5并聯(lián)47uF輸出電容時(shí)仿真波形


      
      圖2-6沒(méi)有輸出電容時(shí)仿真波形