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，一類是線性電源，一類是開關(guān)電源。線性電源具有電路簡(jiǎn)單、面積小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。開關(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(yīng)用。
開關(guān)電源還可以細(xì)分為降壓型、升壓型和升降壓幾類。也可按照隔離、非隔離，或者同步、非同步再進(jìn)一步細(xì)分。在手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子領(lǐng)域，降壓型BUCK電源應(yīng)用非常廣泛，是電源工程師的入門課。
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設(shè)計(jì)的話，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題，只有這樣，個(gè)人能力才會(huì)有提高。
(b)是芯片內(nèi)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被稱為同步BUCK，異步BUCK中使用二極管代替Q2，把圖中的開關(guān)部分和外圍電感提取出來就構(gòu)成了圖2-2 的經(jīng)典的異步BUCK拓?fù)鋱D，圖2-2 中的S對(duì)應(yīng)圖2-1 的Q1，圖2-2 中的D對(duì)應(yīng)圖2-1 中的Q2。
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)行開環(huán)分析，也就是電路中只有一個(gè)開關(guān)管，由二極管對(duì)電感進(jìn)行續(xù)流放電，見圖2-2 ，簡(jiǎn)約的東西經(jīng)過組合往往會(huì)迸發(fā)出不可思議的結(jié)果，BUCK就是這樣的電路。
圖2-2 中，當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，SW電壓為高電壓，等于Vin，Vin給電感L充電，流過電感L的電流逐漸增加，充電電流路徑如圖中虛線箭頭所示，電感電流充電波形見圖2-3 ，SW高電平時(shí)電感處于充電狀態(tài)。
當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，SW為低電平，電感L通過負(fù)載和二極管D放電，電感L的電流逐漸減小，放電電流路徑見圖2-2 實(shí)線箭頭部分，電感放電波形見圖2-3 。
BUCK的基本工作過程就是對(duì)電感充放電的過程。
這里有個(gè)小說明，在同步BUCK中D會(huì)被開關(guān)代替，以提高效率。在S斷開時(shí)，SW位置的電壓是0，但是本章中使用的是續(xù)流二極管，則在S斷開時(shí)，SW其實(shí)是有一部分的負(fù)電壓的，差不多是-0.7V，這個(gè)問題在2.5.1節(jié)會(huì)有詳細(xì)介紹。
下面推導(dǎo)BUCK輸入、輸出電壓的計(jì)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)過的時(shí)間，將公式(2-1)變換得到公式(2-2)：
在BUCK建立穩(wěn)態(tài)后，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，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為開關(guān)周期；D為占空比，就是開關(guān)（上管）導(dǎo)通的時(shí)間占整個(gè)開關(guān)周期的百分比），在穩(wěn)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(jì)算得到放電過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(jì)算過程，一點(diǎn)也不復(fù)雜。從公式(2-6)可以看出，由于D是小于1的數(shù)，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，本書中所提供仿真電路僅供交流學(xué)習(xí)使用，實(shí)際工程要考慮的參數(shù)、因素太多，本書只關(guān)注所涉及的知識(shí)內(nèi)容。仿真原理圖見圖2-4 ，輸入電壓Vin=10V，開關(guān)頻率為2kHz，10Vpp方波，占空比是50%，電感取2.2mH。
圖2-5 是在BUCK電源輸出端并聯(lián)了47uF電容后的結(jié)果，紅色方波是開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW位置電壓波形（方波的-0.7V電壓在2.5.1節(jié)有詳細(xì)介紹），黑色平滑曲線是輸出的電流波形，也就是電感充放電的電流波形。通過開關(guān)管對(duì)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(cè)試得到輸出電壓DC值是4.3V，接近公式2-6推導(dǎo)的10*50%=5V，思考：為什么計(jì)算和仿真相差0.7V呢？
圖2-6 是斷開C1 47uF電容的仿真結(jié)果，黑色電流曲線更接近三角波（無電容濾波效果），輸出電壓的紋波也會(huì)跟著變的陡峭。當(dāng)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開關(guān)架構(gòu)的先天特點(diǎn)，此紋波無法消除，只可以對(duì)它的紋波進(jìn)行抑制。
同時(shí)，我們也可以看到由于續(xù)流二極管的存在，當(dāng)開關(guān)斷開后，紅色波形有小段的負(fù)電壓，這個(gè)負(fù)電壓大約是-0.7v，這是和二極管相關(guān)，接近二極管的導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)了同步BUCK電路，將續(xù)流二極管更換為開關(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。
開關(guān)電源還可以細(xì)分為降壓型、升壓型和升降壓幾類。也可按照隔離、非隔離，或者同步、非同步再進(jìn)一步細(xì)分。在手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子領(lǐng)域，降壓型BUCK電源應(yīng)用非常廣泛，是電源工程師的入門課。
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設(shè)計(jì)的話，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題，只有這樣，個(gè)人能力才會(huì)有提高。
(b)是芯片內(nèi)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被稱為同步BUCK，異步BUCK中使用二極管代替Q2，把圖中的開關(guān)部分和外圍電感提取出來就構(gòu)成了圖2-2 的經(jīng)典的異步BUCK拓?fù)鋱D，圖2-2 中的S對(duì)應(yīng)圖2-1 的Q1，圖2-2 中的D對(duì)應(yīng)圖2-1 中的Q2。
圖2-1BUCK原理圖與內(nèi)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)行開環(huán)分析，也就是電路中只有一個(gè)開關(guān)管，由二極管對(duì)電感進(jìn)行續(xù)流放電，見圖2-2 ，簡(jiǎn)約的東西經(jīng)過組合往往會(huì)迸發(fā)出不可思議的結(jié)果，BUCK就是這樣的電路。
圖2-2BUCK電源拓?fù)?
圖2-2 中，當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，SW電壓為高電壓，等于Vin，Vin給電感L充電，流過電感L的電流逐漸增加，充電電流路徑如圖中虛線箭頭所示，電感電流充電波形見圖2-3 ，SW高電平時(shí)電感處于充電狀態(tài)。
當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，SW為低電平，電感L通過負(fù)載和二極管D放電，電感L的電流逐漸減小，放電電流路徑見圖2-2 實(shí)線箭頭部分，電感放電波形見圖2-3 。
BUCK的基本工作過程就是對(duì)電感充放電的過程。
這里有個(gè)小說明，在同步BUCK中D會(huì)被開關(guān)代替，以提高效率。在S斷開時(shí)，SW位置的電壓是0，但是本章中使用的是續(xù)流二極管，則在S斷開時(shí)，SW其實(shí)是有一部分的負(fù)電壓的，差不多是-0.7V，這個(gè)問題在2.5.1節(jié)會(huì)有詳細(xì)介紹。
圖2-3BUCK開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形和電感電流波形
下面推導(dǎo)BUCK輸入、輸出電壓的計(jì)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)：
下面看下基于Multisim軟件的BUCK原理仿真，本書中所提供仿真電路僅供交流學(xué)習(xí)使用，實(shí)際工程要考慮的參數(shù)、因素太多，本書只關(guān)注所涉及的知識(shí)內(nèi)容。仿真原理圖見圖2-4 ，輸入電壓Vin=10V，開關(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(jié)果，紅色方波是開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW位置電壓波形（方波的-0.7V電壓在2.5.1節(jié)有詳細(xì)介紹），黑色平滑曲線是輸出的電流波形，也就是電感充放電的電流波形。通過開關(guān)管對(duì)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(cè)試得到輸出電壓DC值是4.3V，接近公式2-6推導(dǎo)的10*50%=5V，思考：為什么計(jì)算和仿真相差0.7V呢？
圖2-6 是斷開C1 47uF電容的仿真結(jié)果，黑色電流曲線更接近三角波（無電容濾波效果），輸出電壓的紋波也會(huì)跟著變的陡峭。當(dāng)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開關(guān)架構(gòu)的先天特點(diǎn)，此紋波無法消除，只可以對(duì)它的紋波進(jìn)行抑制。
同時(shí)，我們也可以看到由于續(xù)流二極管的存在，當(dāng)開關(guān)斷開后，紅色波形有小段的負(fù)電壓，這個(gè)負(fù)電壓大約是-0.7v，這是和二極管相關(guān)，接近二極管的導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)了同步BUCK電路，將續(xù)流二極管更換為開關(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沒有輸出電容時(shí)仿真波形
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