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高频开关电源Buck电路简介

高频开关电源Buck电路的定义

高频开关电源Buck电路是一种降压斩波器,降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输出电压UD。

通常电感中的电流是否连续,取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

高频开关电源Buck也是DC-DC基本拓扑,或者称为电路结构,是最基本的DC-DC电路之一,用直流到直流的降压变换。

高频开关电源Buck电路简介

高频开关电源Buck和BOOST使用的元件大部分相同,但是元件的组成却不尽相同。


简单的高频开关电源Buck电路输出的电压不稳定,会受到负载和外部的干扰,当加入PID控制器,实现闭环控制。


可通过采样环节得到PWM调制波,再与基准电压进行比较,通过PID控制器得到反馈信号,与三角波进行比较,得到调制后的开关波形,将其作为开关信号,从而实现高频开关电源Buck电路闭环PID控制系统。


高频开关电源Buck电路的参数计算


电感的参数

电感的选择要满足直到输出最小规定电流时,电感电流也保持连续。

在临界不连续工作状态时:

高频开关电源Buck电路简介

所以

高频开关电源Buck电路简介

传输文件进行 [薄膜开关] 打样越大,进入不连续状态时的电流就越小。

电容的参数

电容的选择必须满足输出纹波的要求。


电容纹波的产生:

1. 电容产生的纹波: 相对很小,可以忽略不计;

2. 电容等效电感产生的纹波:在300KHZ~500KHZ以下可以忽略不计;

3. 电容等效电阻产生的纹波:与esr和流过电容电流成正比。为了减小纹波,就要让esr尽量的小。


高频开关电源Buck电路的结构

将快速通断的晶体管置于输入与输出之间,通过调节通断比例(占空比)来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成,方波脉冲的平均值就是直流输出电压。


Q导通:

输入端电源通过开关管Q及电感器L对负载供电,并同时对电感器L充电。电感相当于一个恒流源,起传递能量作用。电容相当于恒压源,在电路里起到滤波的作用。


Q闭合:

电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路,对负载R继续供电,从而保证了负载端获得连续的电流。

 

高频开关电源Buck电路简介


从电路可以看出,电感L和电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过,而抑制us(t)的谐波分量通过;


电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。


电路工作频率很高,一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小,相对于电容上输出的直流电压Uo有:电容上电压宏观上可以看作恒定。


电路稳态工作时,输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成,宏观上可以看作是恒定直流,这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。


一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时,电容电压升高,导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加,使电容电压上升速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,此时电压维持不变;


反之,如果一个周期内放电电荷高于充电电荷,将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小,使电容电压下降速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,最终维持电压不变。


这种过程是电容上电压调整的过渡过程,在电路稳态工作时,电路达到稳定平衡,电容上充放电也达到平衡,这是电路稳态工作时的一个普遍规律。


开关S置于1位时,电感电流增加,电感储能;而当开关S置于2位时,电感电流减小,电感释能。假定电流增加量大于电流减小量,则一个开关周期内电感上磁链增量为:

ΔΨ=L(Δi)>0

此增量将产生一个平均感应电势:

u=ΔΨ/Τ>0

此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度,最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零;一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。


这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量(磁链平均增量)为零的现象称为:电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。


高频开关电源Buck的应用电路


高频开关电源Buck电路主要应用于低压大电流领域,其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求。此外,对高频开关电源Buck电路应用同步整流技术,用MOS管代替二极管后,电路从拓扑上整合了高频开关电源Buck和Boost两种变换器,为实现双向DC/DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合,很有应用价值,如应用于混合动力电动汽车时,辅以三相可控全桥电路,可以实现蓄电池的充放电。


UC3842

高频开关电源Buck电路简介

UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。


该芯片集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。


其应用领域为:高频开关电源;工业电源;电压反馈电路设计;反激高频开关电源设计。


SG3525


SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片,它简单可靠及使用方便灵活,输出驱动为推拉输出形式,增加了驱动能力;内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器,有过流保护功能,频率可调,同时能限制最大占空比。它的应用领域是:高频开关电源;直流变换器;逆变器设计;脉冲宽度调制。


TL431 

高频开关电源Buck电路简介

TL431是可控精密稳压源。


它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf(2.5V)到36V范围内的任何值。


该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中用它代替稳压二极管,例如,数字电压表,运放电路,可调压电源,高频开关电源等。


应用领域:电平值转换;充电器;高频开关电源;适配器;DVD;电视机。


高频开关电源Buck电路的使用注意


高频开关电源Buck电路只有一个电感,没有变压器,输入与输出不能隔离。


这就存在一个危险,一旦功率开关损坏电路,输入电压将直接加到负载电路,因为占空比D《1,所以高频开关电源Buck电路仅有一路输出,如果输出电压为5V,还需要3.3V时,则要加后续调节器,高频开关电源Buck电路在多路输出时是这样应用的。

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