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BUCK变换器工作模式、器件选型及案例分析

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    2022-1-29 15:04
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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2021-12-14 13:47 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    BUCK电路对于大多数电源工程师来说并不陌生,都是耳熟能详的拓扑结构,资料也是一搜一大把,但是为啥我要在这里再次谈到BUCK变换器这种结构呢?可能大部分的资料内容细节上有遗漏,这篇文章从最基本的原理入手,一步步讨论BUCK变换器的工作模式、器件选型、案例分析。* ?5 G& Z0 x* S: D
       一个降压转换器,基本上是一个方波发生器,后跟一个 LC 滤波器。 为了完善我们对转换器的理解,我们可以将开和关情况分开。 我们假设转换器采用电压控制。 在图  中,我们可以看到开关闭合时间内的电流。" h8 Q4 ?4 V8 d5 g7 h
    开关闭合期间的导通电流路径:& n3 W4 }& Q7 y( T

    + }- K0 z- h6 X& ^  z( X4 W  Y在关断期间,电感电流保持同向循环:1 x, k: U5 }& f# j0 r
    - s0 N+ Q1 F7 \# k1 o! Z! T: }3 j
    导通期间:3 |9 T5 d+ T0 Z7 y
       一旦 SW 闭合,L 中就会发生电流上升。 将电压 V 施加到受串联电阻器 rLf 影响的电感器 L 通常会产生一个指数电流,其变化遵循等式:
    % K9 R. z7 ~! ]0 J+ Q

    / G. e' {  V& h   其中 VL 是施加在电感两端的电压,rLf 是电感串联电阻。由于串联电阻 rLf 显然很小,我们可以尝试展开上述公式。 我们得到常见的方程:6 Z4 B6 d, l' Q8 b; R  W! w

    ( f/ e$ v6 A  q   如果我们分析导通期间的降压,电感端子之一Vin(假设 SW 压降为零),而另一个直接连接到 Vout。 应用方程上述方程对这种情况意味着电流达到峰值,这是由 SW 闭合储能,即导通时间,表示为 ton。 就会得到以下方程:* W( J8 ~: t4 z3 u! Y7 G
    3 C# d/ b1 x  k. Q8 E4 M
       当电流 IL 在电感中流动时,它还穿过电容器 C (IC) 和连接到输出的负载 (Iload)。 正如我们已经表明的那样,在平衡状态下,所有交流电(交流部分)将流入 C,而直流部分将流入 Rload。 了解这一现象将有助于我们评估输出电压纹波幅度。
    5 f6 `# f2 m  ]4 W关断期间:! r8 s" O! T! \: c0 @
       电流已达到 ton 施加的值,PWM 调制器现在指示开关打开。 为了对抗其即将饱和的磁场,电感器需要将其电压反转。 由于感应电流仍然需要在某个地方流动,在相同的方向上,二极管被激活。 如果我们忽略二极管压降,电感左端接地,而右端是Vout。 电感谷电流 Ivalley 可以用方程来描述。
    ; V# g; m5 c9 Y
      X$ @, q) R& x( Y4 ]
       当新的时钟周期出现时,SW 再次关闭,我们最终在公共点 SW/D 上得到一个方波信号,在 Vin 和 0 之间摆动,并由 LC 滤波器进一步积分。 现在让我们通过仿真来揭示所有波形。
    0 K! x6 n, o4 V. ~! C8 TBUCK——CCM:$ P) w' L* o' G( Q* g
       为了全面了解降压操作,通过仿真波形进行分析:
    & T* C* A( F) W3 m1 O1 s9 t
    : E# B) {2 d0 l  \: e
    波形 1(曲线 1)表示 PWM 模式,激活开关。 当开关 SW 导通时,Vin 出现在公共点 SW/D 上。 相反,当 SW 打开时,我们预计该节点会向负摆动。 然而,由于二极管 D 的存在,电感电流对其进行偏置,并出现负压降:这是续流动作。8 T/ e3 i4 ]+ Y9 X0 ^' [5 I
    波形 3 描述了电感两端的电压如何演变。 根据上述方程,L 两端的平均电压在平衡时为零,这意味着 S1+S2=0。S1 对应于开启伏秒区域,而 S2 代表关闭伏秒区域。 S1 只是矩形高度 Vin-Vout 乘以持续时间 DTsw,而 S2 也是矩形高度 -Vout 乘以持续时间 (1-D)Tsw。 如果我们将 S1 和 S2 相加并在 Tsw 上取平均值,我们有5 o# h" U2 |! y& B9 Q) T8 C8 T
    ) u, }  m1 m4 H; x6 g9 r) x" j! `4 l
    如果我们重新排列方程,我们将获得 CCM 中众所周知的降压直流传递函数 M:
    0 `" e) ~7 h1 C+ }; Y

    5 v; K0 g5 X4 M/ q+ F在 CCM 中运行的降压转换器的直流转换比:
    % q# ^( o! W& _2 e1 D  X

    0 Y, p0 u. N& n; Y% m   如果我们绘制此函数,以查看 Vout 如何随 D 演变,我们可以看到上述图中所示的线性变化。理想状态下,传输特性与输出负载无关。 稍后我们将看到它并不完全正确。9 M% S& Z. \, m6 T2 Y8 y
       另一个基于零平均电感电压的简单技巧可以帮助加快传输比的确定。 首先,让我们写出瞬时电感电压VL
    ' @' Q5 Y6 z$ ~1 P
    0 u9 I( I  }  Q0 X1 s0 Z
    一个周期内上述等式可以表述为:9 k* L: p( k$ Y5 ?* S: I
    5 [, V$ H9 \' G, _  i) u' P8 ^% `
       根据定义,Vout 由反馈回路保持恒定。 然而,公共点 SW/D 在 Vin(导通期间)和关断期间的 0 之间摆动。上述等式因此可以重新定义:2 ]3 d  K3 B+ e5 ^* a$ Q6 a& h
    % p; _7 S0 |3 T
       对底部波形的仔细观察显示了几件事。 首先,打开 SW 时会出现一个大尖峰。 这是因为开关通过将 Vin 施加到其阴极来残酷地中断二极管导通周期。 如果我们使用 PN 二极管,那么我们需要将晶体恢复到其电中性以阻止它。 这是通过去除所有少数载流子来完成的:二极管清除所有注入的电荷,需要一定的时间来恢复其阻断作用。 这段时间称为trr。 在二极管完全恢复之前,它表现为短路。 对于肖特基二极管,我们有一个金属-硅结,没有恢复效应。 然而,可能存在较大的寄生电容。 一旦放电(当二极管导通时),SW 迅速将 Vin 施加到该放电电容器上,并出现电流尖峰。 努力减慢开启 SW 转换将有助于降低尖峰幅度。; t! V9 N* l1 l6 L+ e+ ^( q: a
       第二点与当前形状有关。 您可以在输出上观察到一个很好的纹波。我们说输出纹波是平滑的,“非脉动的”。 它意味着下游电子电路更好地接受,意味着线路上的污染更少。 另一方面,输入电流不仅具有尖峰特征,而且看起来像方波。 如果 L 增长到无穷大,则形状将是真正的方波。 事实上它是一种“脉动”电流,携带大量污染频谱,比几乎正弦形状更难过滤。
    8 u6 F/ G  A3 N& C! Z作为总结,我们可以写一些与 CCM 降压转换器相关的评论:
    5 B1 A; R9 a; W0 m7 |- G• 由于D 被限制在1 以下,降压的输出电压总是小于输入电压(M<1)。
    " z- e6 ?0 f( S* L$ w6 `• 如果我们忽略各种欧姆损耗,转换比 M 与负载电流无关。
    4 a4 |& {" m3 p• 如前所述,通过改变占空比 D,我们可以控制输出电压。
    0 E2 U1 u. F3 j2 V8 R' ~" z( w• 在 CCM 模式中降压会带来额外的损耗,因为需要排出二极管反向恢复电荷 (trr)。 这被视为功率开关 SW 的额外损耗负担。: w5 j- F; B$ d7 Z
    • 有非脉动输出纹波,但有脉动输入电流。* O$ k: f  h* l6 \3 k
    • 除非使用P 通道或PNP 晶体管,否则N 通道或NPN 的控制需要特殊电路,因为其源极或发射极浮动。
    2 |& U6 y$ X+ P( y  f• 短路保护或浪涌限制是可行的,因为电源开关可以中断输入电流。/ m  `4 ~3 R8 U9 `1 M
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    2022-1-24 15:10
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    发表于 2021-12-14 14:25 | 只看该作者
    Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。
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    2022-1-29 15:03
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    发表于 2021-12-14 16:56 | 只看该作者
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