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詳解BUCK電路原理

微云疏影 ? 來源:硬件工程師看海 ? 作者:硬件工程師看海 ? 2022-04-18 11:01 ? 次閱讀
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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。線性電源具有噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源雖然噪大,但是具有效率高、熱損小的優(yōu)點(diǎn)。

開關(guān)電源還可以細(xì)分為降壓型、升壓型和升降壓三類。也可按照隔離、非隔離,或者同步非同步再進(jìn)一步細(xì)分。

手機(jī)、電腦消費(fèi)電子領(lǐng)域,降壓型BUCK電路應(yīng)用非常廣泛。是電源工程師的入門課,下面就介紹BUCK降壓電路的基本工作原理,并進(jìn)行原理仿真,后臺回復(fù):BUCK仿真文件 可以得到仿真源文件。

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)行分析,也就是電路中只有一個(gè)開關(guān)管,由二極管對電感續(xù)流放電。

基本的BUCK降壓電路由開關(guān)、電感、二極管和電容組成,簡約的東西經(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。

電感的基本參數(shù)和意義見以前的文章:

電感參數(shù)有哪些?怎么選擇電感?

BUCk基本框圖如下:

poYBAGJc1H-AJuefAAA-SB68CYg778.jpg

當(dāng)開關(guān)S1閉合導(dǎo)通時(shí),VA電壓為高,Vin給電感L1充電,流過電感L1的電流逐漸增加,電流路徑見上圖綠色回路,電感充電波形見下圖。

pYYBAGJc1H-ADuUYAAFtrzwkVoU945.jpg

當(dāng)開關(guān)S1斷開時(shí),Va為低電平,電感L1通過負(fù)載和二極管放電,電感L1的電流逐漸減小,電流路徑見下圖藍(lán)色部分,電感放電波形見上圖。

poYBAGJc1ICAHnqfAABU9B2RZVU746.jpg

BUCK的基本工作過程就是對電感充放電的過程。

這里有個(gè)小說明,在同步BUCK中D1會(huì)被開關(guān)代替,以提高效率,在S1斷開時(shí),但是本章中使用的是續(xù)流二極管,則在S1斷開時(shí),VA其實(shí)是有一部分的負(fù)電壓的(差不多剛好-0.7V)。

BUCK輸入輸出電壓的計(jì)算關(guān)系:

我們不用管什么幅秒特性,只看最終、最基本、最本質(zhì)的電感相關(guān)公式:

pYYBAGJc1ICAVkMXAAAJBLTBTek734.jpg

在BUCK建立穩(wěn)態(tài)后,電感充放電的電流是相等的,△t=T*D是充電的時(shí)間,T*(1-D)是放電的時(shí)間,即穩(wěn)態(tài)時(shí):

poYBAGJc1ICAM39DAAAK5HJTohY852.jpg

T為開關(guān)周期,D為占空比,就是開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間占整個(gè)周期的百分比。

同樣的道理:

pYYBAGJc1IGAa2jBAAAJqPSpBaY728.jpg

整理得到:

poYBAGJc1IGAS3wbAAAH94SZRXM171.jpg

非常簡單的計(jì)算過程,一點(diǎn)也不復(fù)雜。

下面看原理仿真,multisim仿真文件在公眾號后臺回復(fù):buck仿真文件 可以下載。

pYYBAGJc1IKANOVNAAAm4QiHLwA914.jpg

通過開關(guān)管對電感充放電,可以明顯看到電流的充放電三角波電流,當(dāng)改變輸出電容時(shí),有助于緩解輸出的紋波,然而由于BUCK開關(guān)架構(gòu)的先天不足,此紋波無法消除,抑制程度也有限。

poYBAGJc1IKAS1-0AAAvl5ZU4CM554.jpg

pYYBAGJc1IKAGYvLAAArNxXSsLY158.jpg

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)段開始,Va有小段的負(fù)電,此負(fù)電大約-0.7v,就是和二極管相關(guān),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)致輸出輸入不滿足D的關(guān)系,為了提升效率就出現(xiàn)了同步BUCK電路。

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