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每周了解几个硬件知识+电源Buck知识分享

工程师
2024-09-27 17:50:19     打赏

DC-DC BUCK电路是一种常见的直流到直流(DC-DC)转换电路,主要用于将较高的输入直流电压转换为较低的输出直流电压。

以下是对DC-DC BUCK电路的详细解析:

一、基本原理

BUCK电路通过控制开关元件(通常为功率MOSFET)的周期性开闭,实现电能的存储和释放,从而调整输出电压。当开关元件导通时,输入电压通过电感器(储能元件)给电容器充电,并向负载供电;当开关元件关断时,电感器利用自感作用释放能量,维持负载供电,同时电容器也向负载提供能量。通过调整开关元件的导通和关断时间(即占空比),可以控制输出电压的大小。

 

二、主要组成部分

开关元件:通常为功率MOSFET,用于控制电路的通断。

电感器:储能元件,当开关导通时储存能量,关断时释放能量。

电容器:滤波元件,用于平滑输出电压,减小输出电压的波动。

二极管(有时使用同步整流技术替代):续流二极管,在开关关断时提供电流通路,确保电感器中的电流连续。

 

三、工作模式

BUCK电路主要有以下几种工作模式:

连续导通模式(CCM):在一个开关周期内,电感电流从不归零,保持连续流动。这是BUCK电路最常见的运行模式。

非连续导通模式(DCM):在一个开关周期内,电感电流会归零,电感被适当“复位”。这种模式下,电路的效率和性能可能会有所不同。

边界导通模式(BCM):控制器监控电感电流,一旦检测到电流等于零,立即闭合开关。这种模式可以确保电路始终处于高效的运行状态。

 

四、优点与缺点

优点

高效性:通过使用开关元件实现电压降低,减少了能量损失,提高了转换效率。

紧凑性:相对于其他类型的变换器,BUCK电路结构紧凑,适用于空间受限的应用场景。

稳定性:能够提供相对稳定的输出电压,即使在输入电压变动的情况下也能保持输出电压恒定。

缺点

电压降低限制:输出电压不能高于输入电压,无法直接用于升压操作。

输出电流限制:在高电流负载下,BUCK电路的传输能力可能受限,无法满足某些高功率应用的需求。

输出电压波动:在负载变化或输入电压变化时,输出电压可能会有较大的波动。

 

五、应用场景

BUCK电路广泛应用于各种需要降压转换的场合,电源适配器、电池充电器、调光LED驱动器等。在移动设备和家用电器中,BUCK电路也扮演着重要的角色,用于调节电源供应器的输出电压。

BUCK转换器的基本工作原理

BUCK转换器是一种直流到直流(DC-DC)的电压转换器,能够将较高的直流输入电压(VIN)转换为较低的直流输出电压(VOUT)。它主要由两个开关(通常是MOSFETs,Q1和Q2在您的图中),一个电感(L1),一个输出电容(通常图中未明确画出),以及一个负载组成。


六、工作原理

Q1导通,Q2关闭:

当Q1(通常是高端开关)导通时,VIN直接连接到电感L1,给电感充电。

此时,电感电流开始增加,其方向如蓝色箭头所示。

电感上的电压(VL)是正值(左正右负),因为电流在增加。

输出电压VOUT由电容C维持,同时电感电流也为负载供电。

此时,VIN = VL + VOUT,但需注意这只是一个瞬时的电压关系,因为VL会随电流变化而变化。

Q1关闭,Q2打开:

当Q1关闭时,电感电流不能突变,因此电流会通过Q2(低端开关)续流,形成红色箭头所示的路径。

此时,电感作为电压源,释放能量给负载供电,同时电流开始减少。

电感上的电压(VL)变为负值(左负右正),因为电流在减少。

输出电压VOUT继续由电容C和电感L共同维持。

关键公式 VIN*D = VOUT

占空比D:定义为Q1导通的时间与整个开关周期的比值。

公式解释:在稳态下,输入电压VIN在Q1导通期间对电感充电,而输出电压VOUT则在整个周期内(包括Q1导通和Q2导通)维持。由于电感电流的平均值在稳态下是恒定的,根据能量守恒,输入能量(VIN电流D)必须等于输出能量(VOUT电流1),从而得出 VIN*D = VOUT。

                                               1727430260029.jpg

 

根据上图拓扑,得出

a、当Q1打开,Q2关闭,Vsw为高,IQ1增加,IQ2为零,电感电流增加。

b‘、当Q1关闭,Q2打开,Vsw为低,IQ1为零,IQ2减小,电感电流减小。

c、整个稳态过程,电感电流不断增加减少。

d、我们常将上管打开的时间称为Ton,其关闭的时间为Toff。两者相加是一个周期。

 

下面来看下两个过程,开关导通和开关断开。

先看开关导通

1727430273232.jpg

开关导通时,二极管不导通,我们看电感,电感左边是Vi,右边是Vo,因为是降压,所以左边大于右边,那么电感两端电压是Vi-Vo,为恒定值。如果把电感电流向右定义为正,那么电感电流是线性增大的,因为L*di/dt=Vi-Vo,那么di/dt=(Vi-Vo)/L=常数。

1727430287665.jpg

 

开关断开时,电感要续流,会产生反向电动势,让二极管导通,二极管导通电压是Vd。因为二极管阳极接地,所以阴极电压是-Vd,也就是电感左边的电压就是-Vd,右边的电压是Vo不变,因此电感两端电压是-Vd-Vo。此时电感电流是线性减小的,因为L*di/dt=-Vd-Vo,di/dt=-(Vo+Vd)/L=常数,并且是负值,所以是线性减小的。

 

 

 

注意红色路径:

开关管Q导通时刻,Vin向负载输出能量,同时向输出电容充电。

开关管Q关断时刻,负载能量由输出电容提供,电感电流不能突变,因此通过二极管D进行续流。

1727430313628.jpg

 

同步整流Buck:用于高效率要求场合:Q1/Q2互补驱动(考虑一定的死区时间)

 

1727430326143.jpg

Buck变换器的稳态电压增益:

1727430385293.jpg

Buck变换器的特征:

--输出电压低于输入电压:

--输出电流连续:

--输入电流断续:

--开关驱动需隔离;

-功率级的小信号特性非常优越

 

相关的公式:

1727430351621.jpg

波形图:

1727430541797.jpg

 

 

总结:

BUCK变换器作为一种高效的DC-DC降压转换器,其核心在于通过周期性控制开关元件的通断来实现电压的转换。在稳态下,通过调整开关元件的占空比D,可以精确地控制输出电压VOUT与输入电压VIN的比例关系,即VIN*D=VOUT。该变换器结构紧凑,广泛应用于各种需要降压的电子设备中。

BUCK变换器的优点在于其高效率、紧凑性和稳定性。通过同步整流技术,可以进一步提高效率,减少能量损失。然而,它也存在一些限制,输出电压不能高于输入电压,以及在高负载下可能面临的电流限制问题。

在稳态工作过程中,BUCK变换器的电感电流会经历周期性的增加和减少,这是由开关元件的通断状态决定的。当开关导通时,电感充电,电流增加;当开关关断时,电感通过续流二极管释放能量,电流减少。这种周期性变化保证了输出电压的稳定。

BUCK变换器是一种性能优越、应用广泛的DC-DC降压转换器。通过对其工作原理和特性的深入理解,可以更好地设计和优化相关电路,以满足不同应用场景的需求。

 



专家
2024-09-27 22:11:57     打赏
2楼

谢谢分享


院士
2024-10-04 16:12:48     打赏
3楼

谢谢分享。


专家
2024-10-07 14:53:03     打赏
4楼

感谢楼主分享


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