BUCK电路学习笔记

1、Buck 电路学习笔记Buck 电路基本框图：图 1.1Buck 电路的控制方式：1）：脉冲调制型：保持开关周期 T 不变，调节开关导通时刻 t on，（PWM:Pulse Width Modulation ）最常用，最容易实现2）：频率调制（调频型）：保持开关导通时间 t on 不变，改变开关周期 T.3）：混合调制：同时改变 t on 和 T，使得占空比 t on/T 发生改变。Buck 电路基本工作方式MOS管 Q和直流输入电压 Vdc 串联 , 通过 Q的硬开通和硬关断，在 VD处形成方波电压。采用恒频控制方式，占空比可调 ,Q 导通时间为 TON。A:Q 导通时， VD点电压也应为直

2、流输入电压Vdc（设 Q导通，压降为 0），电流流经串接电感 L，流出输出端。此时电感储能，并向电容 C充电。等效模型如下图：图 1.2B:Q 关断时，电感 L 产生反电动势，使得 VD点电压，迅速下降到 0，便变为负值直至二极管 D（因其续流作用而被称为“续流二极管”）被导通，并钳位于 -0.8V 。通过二极管续流，释放能量，电容 C 向负载供电。等效模型如下图：图 1.3Buck 电路波形分析：图 1.4 Buck 电路工作波形图图 1.4 （）为 MOSFET的 PWM驱动波形 PWM，占空比可调。当 Q导通时， VD点电压也应为直流输入电压 Vdc（设 Q导通，压降为 0），当Q关断时

3、，电感 L 产生反电动势，使得 VD点电压，迅速下降到 0，便变为负值直至二极管 D 被导通，并钳位于 -0.8V 。此时假设二极管的导通压降为0V，则 VD的波形如图（ b）所示。当 Q 导通时， VD 点电压直流输入电压 Vdc，由于 VO电压低于 Vdc，电感 L 承受的电压为 （Vdc-VO），因为 Vdc,VO电压均为恒定值， 所以电感两端的电压保持恒定，因此流经电感的电流线性上升其斜率为I / t (Vdc Vo) / L ,L 为电感量，此时电感内部的电流变化如图1.4 （e）所示的上升斜坡，而 MOSFET内部的电流如图 1.4 （c）所示。当 Q关断时， VD点电压，迅速下降

4、到 0V（假设二极管的导通压降为 0V），而电感的电流不能突变， 电感产生反电动势以维持原来建立的电流， 若未接续流二极管 D，则 VD 点电压会变得很负以保持电感上的电流方向不变，但是此时续流二极管导通，使得电感前端的电压比地电位低于一个二极管的导通压降。此时电感上的极性反相，使得流经续流二极管 D和电感 L 的电流线性下降，直到 MOSFET关断结束时，回到电流初始值Ia 。因为 VD点电压被钳位于1V（二极管的导通压降近似为1V），VO电压均为恒定值不变， 所以电感 L 承受的电压为（VO+1）V，续流二极管D和电感L的电流下降斜率为I /t （ Vo1）/ L (Vo1) / L， 续

5、流二极管的电流变化如图1.4 （d）, 电感的电流如图 1.4 （e）。根据基尔霍夫电流电流定律 KCL可知 : 电感的电流等于 MOSFET的电流，续流二极管 D 的电流之和，即 IL=IQ+ID 。根据图 1.4 （c）、（d）、（ e）便可以看出。 Buck 电路的三种工作模式：1） 连续工作模式2） 临界工作模式3） 不连续工作模式判别条件为：电流连续的条件为：e1m1其中 mEM/E ,T/,t 1 /(t 1)(TT )BUCK电路 PSIM开环仿真：（1） PWM波形的产生方式：PWM波产生控制框图单极性调制的方式产生PWM波的波形图生成 PWM波的原理：电压比较器的同相输入端

6、( “+”端 ) 为一个基准电压， 反相输入端为一个周期为 T 的锯齿波，当同相输入端电压 锯齿波的电压，输出端为高电平，电压幅值取决于电压比较器的供电电压，当同相输入端电压 锯齿波的电压，输出端为低电平。在做闭环反馈时， 只需要通过反馈环节不断的修改基准电压便可以产生可调的 PWM波。在进行 PWM时，常用的方法有单极性调制和双极性调制两种方法。其中调制波最常用的是正弦交流和直流电压源。Buck 电路主电路（连续工作模式）连续工作模式工作波形输入输出关系如图看见，输出电压大约为输入的一般，但是输出电压在启动时有较大的超调，且纹波较大。我们采用增大输出滤波电容的方式抑制输出纹波， 当输出电容改

7、为 220uF 时，输出波形如下图：纹波明显有所减小。过冲依然存在。我们尝试着加大电感来抑制过冲。如下图我们把电感改为 1000uH 时，并没有有效的抑制过冲，并且调节时间被加大了，所以我觉得更为理想的方法应该是采用闭环控制。修改电感为 1000uH。Buck 电路闭环仿真图输出电压作为反馈和给定电压作对比，对偏差进行 PI 控制，为了防止积分饱和，对积分输出限幅， 作为调制信号输入比较器， 从而达到调节 PWM占空比的作用。闭环仿真后输出电压波形较为平滑，且几乎没有超调，关于闭环控制的响应时间，超调量等相关参数可以根据实际所需调节比例和微分参数。BUCK电路设计参数计算（ 1）开关管的选取：

8、 以 MOSFET为例进行参数的计算主要参数 :(1) 最大漏极源极电压（ Drain-Source Voltage）(2)连续漏极电流（ Continuous Drain Current）(3)导通内阻RDS (ON )（ Static Drain-Source On-State Resistance）尽可能小，减少损耗。最大漏极源极电压由 BUCK电路的直流输入电压 决定的；连续漏极电流由 MOSFET的工作峰值电流决定BUCK电路工作于连续工作模式下， 其 负载电流 I ON必须大于等于 I Q峰峰值的一半，可知其峰值电流等于I ON1I;而II *TON ，TONVo * T 又因为2

9、tVdc（Vdc Vo） ,所以 MOSFET的工作峰值电流为tLION1II ON 1 * (VdcVo) * Vo * T22LVdc导通内阻 RDS (ON ) 是取决于选取的 MOSFET本身，与 BUCK电路无关。（ 2）：续流二极管的选取主要参数 : （ 1）反向重复峰值电压 Vrrm（Repetitive peak reverse voltage）；2）最大整流电流 （平均值） （Maximumaverage forward rectifiedcurrent ）3）反向恢复时间 Trr （Reverse Recovery Time ）1）反向重复峰值电压 Vrrm 由 BUCK电

10、路的直流输入电压 Vdc 决定的；2）最大整流电流（平均值） I O 由续流二极管的工作峰值电流决定，续流二极管的峰值电流和 MOSFET的工作峰值电流一致，计算方法一致I ON1I ION1(Vdc Vo)*Vo22* TLVdc（3）反向恢复时间Trr 由续流二极管的工作频率f 决定；（ 3）输出电容的选取主要参数 : （ 1）耐压值；（2）容值。1）耐压值由 BUCK电路的（ Vdc Vo) 决定的；2）容值根据设计要求的纹波电压 Vrr 来确定BUCK电路实物设计中的输出电容， 并非理想电容。 它可以等效为一个寄生电阻 R O , 一个电感 L O 和一个理想电容CO 串联而成的。如下图。R O 称为等效串联电阻（ESR），L O 称为等效串联电感 （ESL），因此输出电压的纹波由理想电容C O ，等效串联电阻 R O （ESR），等效串联电感（ ESL） L O 三者一起决定的。对于低频电流，等效串联电感（ESL）可以忽略不计，输出纹波主要有理想电容 C