在电子电路中,电源一般分为两类,一类是线性电源,一类是开关电源。线性电源具有电路简单、面积小、噪声小等优点。开关电源虽然噪声大、面积大,但是具有效率高和热损小等优点被广泛应用。
开关电源还可以细分为降压型、升压型和升降压几类。也可按照隔离、非隔离,或者同步、非同步再进一步细分。在手机、电脑等消费电子领域,降压型BUCK电源应用非常广泛,是电源工程师的入门课。
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图2-1 (a)是DC-DC BUCK降压电源的原理图,如果不搞懂BUCK的原理而只按照官方参考原理图来设计的话,可能不会得到一个优秀可靠的电源,我们一定要以一个更深入的角度看待问题,只有这样,个人能力才会有提高。
(b)是芯片内部的功能框图,我们可以看到有两个MOS Q1和Q2,这种有两个控制MOS的BUCK被称为同步BUCK,异步BUCK中使用二极管代替Q2,把图中的开关部分和外围电感提取出来就构成了图2-2 的经典的异步BUCK拓扑图,图2-2 中的S对应图2-1 的Q1,图2-2 中的D对应图2-1 中的Q2。
图2-1BUCK原理图与内部框图
下面就介绍降压型BUCK电路的基本工作原理,并进行原理仿真。为了把我们的主要精力放在理解BUCK原理上,我们选择非同步BUCK进行开环分析,也就是电路中只有一个开关管,由二极管对电感进行续流放电,见图2-2 ,简约的东西经过组合往往会迸发出不可思议的结果,BUCK就是这样的电路。
图2-2BUCK电源拓扑
图2-2 中,当开关S导通时,SW电压为高电压,等于Vin,Vin给电感L充电,流过电感L的电流逐渐增加,充电电流路径如图中虚线箭头所示,电感电流充电波形见图2-3 ,SW高电平时电感处于充电状态。
当开关S断开时,SW为低电平,电感L通过负载和二极管D放电,电感L的电流逐渐减小,放电电流路径见图2-2 实线箭头部分,电感放电波形见图2-3 。
BUCK的基本工作过程就是对电感充放电的过程。
这里有个小说明,在同步BUCK中D会被开关代替,以提高效率。在S断开时,SW位置的电压是0,但是本章中使用的是续流二极管,则在S断开时,SW其实是有一部分的负电压的,差不多是-0.7V,这个问题在2.5.1节会有详细介绍。
图2-3BUCK开关节点电压波形和电感电流波形
下面推导BUCK输入、输出电压的计算关系,我们先不用管什么伏秒特性,只看最基本、最本质、与电感有关的公式:
V是电感两端的电压,L是电感量,△I是电感两端电流的变化量,△t是经过的时间,将公式(2-1)变换得到公式(2-2):
在BUCK建立稳态后,一个开关周期内,电感充、放电的电流是相等的,T*D是充电的时间,T*(1-D)是放电的时间(T为开关周期;D为占空比,就是开关(上管)导通的时间占整个开关周期的百分比),在稳态时电感充放电是相等的,可得到公式(2-3):
在充电时可得到公式(2-4),充电时电感两端的电压等于Vin-Vout,
同样的道理,可以计算得到放电过程电感电流的变化量:
联立2-3、2-4、2-5整理得到:
非常简单的计算过程,一点也不复杂。从公式(2-6)可以看出,由于D是小于1的数,因此输出Vo是小于输入Vi的,因此BUCK是降压电源。
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下面看下基于Multisim软件的BUCK原理仿真,本书中所提供仿真电路仅供交流学习使用,实际工程要考虑的参数、因素太多,本书只关注所涉及的知识内容。仿真原理图见图2-4 ,输入电压Vin=10V,开关频率为2kHz,10Vpp方波,占空比是50%,电感取2.2mH。
图2-4BUCK电源仿真
图2-5 是在BUCK电源输出端并联了47uF电容后的结果,红色方波是开关节点SW位置电压波形(方波的-0.7V电压在2.5.1节有详细介绍),黑色平滑曲线是输出的电流波形,也就是电感充放电的电流波形。通过开关管对电感充放电,可以明显看到电流充放电时的平滑三角波形(电容有滤波效果)。输入电压是10V,占空比是50%,测试得到输出电压DC值是4.3V,接近公式2-6推导的10*50%=5V,思考:为什么计算和仿真相差0.7V呢?
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图2-6 是断开C147uF电容的仿真结果,黑色电流曲线更接近三角波(无电容滤波效果),输出电压的纹波也会跟着变的陡峭。当改变输出电容时,有助于缓解输出电压的纹波,然而由于BUCK开关架构的先天特点,此纹波无法消除,只可以对它的纹波进行抑制。
同时,我们也可以看到由于续流二极管的存在,当开关断开后,红色波形有小段的负电压,这个负电压大约是-0.7v,这是和二极管相关,接近二极管的导通电压。与此同时,由于此二极管的存在,输入输出关系也略微改变,导致输出输入关系与公式2-6略有差异。这个二极管是会消耗能量的,为了进一步提升BUCK电源的效率就出现了同步BUCK电路,将续流二极管更换为开关管就可以得到同步BUCK电源。
以上就是BUCK降压电源的原理介绍。
图2-5并联47uF输出电容时仿真波形
图2-6没有输出电容时仿真波形
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审核编辑 黄宇
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