《开关电源 1 之BUCK变换器工作原理及Multisim实例 仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源 1 之BUCK变换器工作原理及Multisim实例 仿真（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Author Jackie Long 1 All rights reserved NO Spreading without Authorization 开关电源 开关电源 1 之 之 Buck 变换器详解变换器详解 开关电源 Switching Mode Power Supply 即开关稳压电源 是相对于线性稳压电 源的一种的新型稳压电源电路 它通过对输出电压实时监测并动态控制开关管导通与断开的 时间比值来稳定输出电压 由于开关电源效率高且容易小型化 因此已经被广泛地应用于现代大多数电子产品中 如果说每个现代家庭都至少有一个开关电源都不为过 如电视机 彩色的 电脑 笔记本 电磁炉等等内部都有开
2、关电源 虾米 这些东西你们家都没有 我去 那手机有没有 手机 充电器也是一个小型的开关电源 中招了吧 手机也没有 那就是古代家庭了 忽略之 如下图所示为线性稳压电源电路的基本原理图 之所以称其为线性电源 是因为其稳定输出电压的基本原理是 通过调节调整管 如三 极管 的压降 VD来稳定相应的输出电压 VO 也因调整管处于线性放大区而得名 如果某些 因素使得输出电压VO下降了 则控制环路降低调整管的压降VD 从而保证输出电压Vo不变 反之亦然 但这样带来的缺点是调整管消耗的功率很大 使得该电路转换效率低下 当然 线性电源的优点是电路简单 纹波小 但是在很多应用场合下 转换效率才是至关重要的 为了进
3、一步提升稳压电路中的转换效率 提出用处于开关状态的调整管开关状态的调整管来代替线性电源 中处于线性状态中的调整管线性状态中的调整管 而 BUCK 变换器即开关电源基本拓扑之一 如下图所示 Author Jackie Long 2 All rights reserved NO Spreading without Authorization 其中 开关 K1 代表三极管或 MOS 管之类的开关管 本文以 MOS 管为例 通过矩形波 控制开关 K1 只工作于截止状态 开关断开 或导通状态 开关闭合 理想情况下 这两种 状态下开关管都不会有功率损耗 因此 相对于线性电源的转换效率有很大的提升 开关电源
4、调压的基本原理即面积等效原理面积等效原理 亦即冲量相等而形状不同的脉冲加在具有惯 性环节上时其效果基本相同 如下图所示 同样是从输入电源 10V 中获取 5V 的输出电压 线性稳压电源的有效面积为 5 T 而对 应在开关稳压电源的单个有效周期内 其有效面积为 10 T 50 占空比 5 T 这样只要 在后面加一级滤波电路 两者的输出电压有效值 平均值 是相似的 下面我们来看看 BUCK 转换电路的工作原理 假设高电平开关闭合 低电平开关断开 当开关 K1 闭合时 输入电源 VI通过电感 L1 对电容 C1 进行充电 电能储存在电感 L1 的同时也为外接负载 RL 提供能源 Author Jac
5、kie Long 3 All rights reserved NO Spreading without Authorization 当开关 K1 断开时 由于流过电感 L1 的电流不能突变 电感 L1 通过二极管 D1 形成导通 回路 二极管 D1 也因此称为续流二极管 从而对输出负载 RL 提供能源 此时此刻 电容 C1 也对负载 RL 放电提供能源 相关波形如下图所示 Author Jackie Long 4 All rights reserved NO Spreading without Authorization 通过控制开关 K1 的导通时间 占空比 即可控制输出电压的大小 平均值
6、当控制信 号的占空比越大时 输出电压的瞬间峰值越大 则输出平均值越大 反之 输出电压平均值 越小 理想状态下 忽略损耗 则输出电压与输入电压的关系如下式 V T T T V 其中 Ton表示一个周期内开关闭合的时间 Toff表示一个周期内开关断开的时间 Ton Ton Toff 也叫做矩形波的占空比 即一个周期内高电平脉冲宽度与整个周期的比值 亦即 输出电压为输入电压与控制信号占空比的乘积 如下图所示 V t 0 Ton Toff BUCK 变换拓扑通过配合相应的控制电路 实时监测输出电压的变化 适时地动态调整 占空比开关管的导通与截止时间的比值 即可达到稳定输出电压的目的 如下图所示 RLV
7、o I VI D1 L1 C1 K1 逻辑 控制 这种通过控制占空比的方式也叫做脉冲宽度调制技术 Pulse Width Modulation PWM 它是一种频率固定而占空比变化的控制试 相应地 也有脉冲频率调制技术 Pulse frequency Modulation PFM 或两者的结合 从公式中也可以看出 BUCK 拓扑结构只能用来对输入电压 VI进行降压处理 升压方案 可参考 Boost 拓扑 因为控制信号的占空比是不可能超过 1 的 这一点与线性电源是类似 的 而且设计比较好的开关电源电路 其效率可达到 90 以上 这看起来似乎是个不错的降 压稳压方案 但任何方案都不会是完美的 随
8、之而来的问题也接踵而至 比如纹波 噪声 EMI 等问题 下面我们简单介绍一下 径 常数 图所 每次 Vo 0 纹波即上图 增大电感量 数增大 都会 Vo 0 对于具体的 所示为 TI 公司 我们也可以 次充放电的时 5 图所示的输出 量或电容量就 会下降 相应 新新的的 的 BUCK 拓扑降 司的集成降压 以通过提高开 时间缩短了 Au 纹纹波波 电压波动成 是常用的途径 应的纹波峰峰值 原原来来 的的纹波纹波峰峰峰峰 降压芯片 厂 压芯片 LM259 开关的频率来 这样纹波的 uthor Jackie Lo All 波波峰峰峰峰值值 分的峰峰值 径之一 电感 值也会下降 来来的纹的纹波波 峰
9、峰值峰峰值 厂家都会提供 96 典型应用 降低纹波 这 峰峰值就下降 ong rights reserved 值值 自然是越小 感量或电容量 如下图所示 波波峰峰峰峰值值 供典型的应用 电路图 这样 在同样 降了 如下图 NO Spreading 平平均值均值 小越好 要降 量增加后 充 示 平平 用电路及相关 样的电感量与 图所示 without Author t 均值均值 降低纹波有很 充放电速度 平平均均值值 关的参数值 与电容量条件 ization 很多途 时间 t 如下 件下 Author Jackie Long 6 All rights reserved NO Spreading
10、without Authorization 换句话说 在相同的纹波值条件下 如果选择开关频率较高的芯片 电感与电容值相对 会小一些 即成本低一些 如下图所示为 LM2596 的内部开关频率为 150KHz 相应的也有 超过 MHz 的开关频率芯片 我们用下图所示的电路参数仿真 其中 信号发生器 XFG1 设置驱动峰值电压为 12V 频率为 150KHz 占空比 50 如下 图所示 D1 1N5824 L1 33 H C1 220 F R1 5 V1 12V XFG1 COM Q1 IRF9640 1 3 4 2 0 PR1 A PR2 V PR3 V 我们 看起 图所 而监测的电 们看看下图所
11、 其中 红线表 起来输出电压 所示 7 电路参数主要 所示的仿真结 表示电感电流 压还是比较稳 Au 要是开关之后 结果 流 绿线表示 稳定的 我们将 uthor Jackie Lo All 的电压 电感 示开关后的电 将输出电压曲 ong rights reserved 感电流及输出 电压 蓝线表 曲线放大一下 NO Spreading 出电压 理论 示输出电压 下并测量一下 without Author 论计算应为 其值为 5 7 下其纹波值 ization 6V V 如下 Author Jackie Long 8 All rights reserved NO Spreading with
12、out Authorization 纹波峰峰值为 2 25mV 还是比较低的 实际的电路很有可能没这么低 特别是接上开 关之类负载之后 还有一个效率问题 与线性电源不同的是 BUCK 变换器的输入电流与输出电流是不一 样的 因此 不能简单地用输出电压与输入电压的比值来表征 我们只有用最原始的方法了 就是计算输出功率与输入功率的比值 如下式 V I V I P P 其中 Vo表示负载两端的电压 Io表示流经负载的电流 两者的乘积即输出功率 Po Vi 表示输入电压 Ii表示输入电流 两者的乘积即输入功率 Pi 仿真电路如下图所示 根据上图仿真结果 则有 1 14 5 7 0 58 12 93 3
13、6 貌似效率还是挺高的 但不是 100 呀 因为有很多地方有损耗 比如 MOS 管导通时的 电阻 RON 电感本身的线圈绕组铜损及磁芯损耗 电容的串联等效电阻 ESR 都会引起损耗 如下图所示 这些地球人都容易理解 此处不再赘述 D1 1N5824 L1 33 H C1 220 F R1 5 V1 12V XFG1 COM Q1 IRF9640 1 3 4 2 0 PR1 A I 1 14 A I p p 5 86 mA I rms 1 15 A I dc 1 14 A I freq 22 3 kHz PR3 V V 5 71 V V p p 29 3 mV V rms 5 73 V V dc
14、 5 70 V V freq 22 3 kHz PR4 A I 1 55 A I p p 15 9 A I rms 892 mA I dc 580 mA I freq 150 kHz Author Jackie Long 9 All rights reserved NO Spreading without Authorization 续流二极管也是损耗的一种来源 由于续流二极管存在一定的压降 只要续流二极管中 有电流就存在损耗 即 P ID VD 很明显 降低二极管损耗的有效办法是选择低压降的二极 管 如肖特基二极管 更多文章可关注 电子制作站 微信订阅号 dzzzzcn 但是低压降的 肖特基
15、二极管漏电流与结电容也大 会产生更大的损耗 因此需要综合各种因素考虑 我们 也可以采用同步整流的方案 即使用 MOS 管来代替续流二极管 如下图所示 同步整流电路方案中 Q1 导通时 Q2 截止 则 Q1 截止时 Q2 导通 即可代替肖特基二 极管的续流功能 假设原方案中的肖特基二极管压降为 0 4V 流过其中的电流为 3A 则损 耗的功率为 1 2W 如果选择导通电阻较小的 MOS 管 如 0 01 欧姆 则同样的电流条件下 损耗为 0 09W 大大提高了电路的效率 理想的 MOS 管在工作时 即导通或截止 的压降及流过其中的电流应如下图所示 Author Jackie Long 10 Al
16、l rights reserved NO Spreading without Authorization DS D 其中 VDS表示 MOS 管两端的压降 而 ID表示流经 MOS 管的电流 在任意时刻 VDS 与 ID都会有一个参数为 0 因此消耗的功率 P U I 也应当是 0 但是实际 MOS 管的开关与 闭合都是需要过渡时间的 真实的开 关状态如下图所示 在阴影区域 电流与电压都不再为零而引起了开关损耗 它主要与开关的切换频率有关 频率越高则单位时间内开关的次数越多 因此相应的开关损耗也越大 另外 为避免开关电源带来的 EMI 问题 应该对开关电源电路的 PCB 布局布线格外关 注 如下图所示 Author Jackie Long 11 All rights reserved NO Spreading without Authorization 在进行 PCB 布局布线时 应尽量使开关管与相关的续流二极管 储能电感及输出电容 的电流回路是最小的 LM2596S 布局布线实例如下图所示
