文章目錄

• 前言
• 1 斬波電路概述
• 2 Buck 降壓斬波電路的理論計(jì)算
• 3 Buck 降壓斬波電路的仿真
• 總結(jié)

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前言

Buck 降壓斬波器是實(shí)際使用數(shù)量最多的一類斬波電路，也是各大廠商開關(guān)電源芯片中種類最多一類。降壓斬波電路的原理也相對(duì)易于理解，所以作為斬波電路的第一節(jié)來(lái)講解。

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一、斬波電路概述

設(shè)想這么個(gè)場(chǎng)合，某房間僅需要1kW的取暖功率，但是手邊僅有2kW的電暖氣，是不是可以通過加一個(gè)開關(guān)的方法，開關(guān)隔幾分鐘間歇通斷就可以實(shí)現(xiàn)1kW電暖氣的效果？這就是斬波電路最樸素的一種模型，如圖1所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖一

取暖器那樣的“遲滯效應(yīng)”負(fù)載可以接受電流的斷續(xù)，但是對(duì)于大多數(shù)負(fù)載，例如電燈，是不能使用如圖1那樣的電路的。如何能讓電流連續(xù)呢，3種常用無(wú)源電子元件中電感作用就是使電流連續(xù)。
1) 圖2所示，給負(fù)載端串聯(lián)電感L即可保證負(fù)載上電流連續(xù)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖二

2) 圖3所示電路，當(dāng)SW開關(guān)斷開時(shí)，為了達(dá)到電感電流必須連續(xù)的“規(guī)定”，電感將產(chǎn)生高壓，高到把SW開關(guān)擊穿為止。因此，有電感的電路需要額外提供電感電流泄放的通路。如圖3所示的D1二極管起到延續(xù)電感電流的作用，稱為續(xù)流二極管（freewheeling diode ）。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖三

3) 在電力電子主電路中二極管也是開關(guān)的一種（一般可忽略導(dǎo)通壓降），所有分析開關(guān)的方法都是一樣的：開關(guān)導(dǎo)通等效為導(dǎo)線，開關(guān)斷開則擦除該元件。所以，對(duì)于圖3原理的分析就變成分析二極管是否等效為導(dǎo)線了。
4) 參考圖3，當(dāng)SW開關(guān)閉合時(shí)，二極管D1承受的是反壓，所以擦除D1，此時(shí)等效電路如圖4所示。電源V1通過電感L1給負(fù)載RL供電，電流逐漸增大。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖四

5) 參考圖3，當(dāng)SW斷開時(shí)，擦除SW，D1導(dǎo)通，等效為導(dǎo)線，等效電路如圖5所示。L1上電流逐漸減小，電流能量來(lái)源于電感儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能。而D1則保證了電感電流能夠形成回路

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖五

6) 在所有輸出為電壓源的電路中，負(fù)載端均會(huì)并聯(lián)大容量的電容，以保證盡量接近電壓源的效果。如圖6所示，添加輸出濾波電容C1，并將機(jī)械開關(guān)SW替換成 MOSFET 開關(guān)T1，就構(gòu)成了完整的 Buck 斬波電路的主電路。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖六

二、Buck 降壓斬波電路的理論計(jì)算

當(dāng)斬波電路中電感電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓計(jì)算有一個(gè)簡(jiǎn)化的方法：
1) 穩(wěn)態(tài)時(shí)流經(jīng)電容的平均電流為零。如果一個(gè)周期內(nèi)電容充電比放電多，那么電容上的電壓就會(huì)上升，這也就不是穩(wěn)態(tài)；一個(gè)周期內(nèi)電容放電比充電多，那么電容上的電壓就會(huì)下降，這也不是穩(wěn)態(tài)。
2) 真正對(duì)斬波電路計(jì)算有用的其實(shí)是另一個(gè)結(jié)論：穩(wěn)態(tài)時(shí)電感上平均電壓為零。為了讓大家能夠接受這一“結(jié)論”，前面才拿電容來(lái)舉例子，電感電容的特性是完全對(duì)稱的。電感上平均電壓不為零的話，電感電流就會(huì)上升或下降，這也不算穩(wěn)態(tài)。
3) 通過計(jì)算開關(guān)閉合時(shí)電感上電壓UL_ON和開關(guān)斷開時(shí)電感電壓UL_OFF，就可以很簡(jiǎn)單的計(jì)算出輸出電壓。


假設(shè)斬波電路設(shè)計(jì)合理，紋波電壓較小，輸出電壓UO基本維持恒壓特性：
1) 開關(guān)閉合時(shí)，參考圖7所示的參考電壓方向，電感上電壓UL_ON為：
???

?（1）

?2) 開關(guān)斷開時(shí)，參考圖8所示的參考電壓方向，電感上電壓UL_OFF為：
?

圖8 Buck 電路開關(guān)斷開時(shí)電感等效電路

3) 根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感兩端電壓平均值為零的特性，可推導(dǎo)出式3，其中，D的含義是占空比(Duty Cycle)。通過式4可知，Buck 電路為降壓電路，輸出電壓（電感電流連續(xù)時(shí)）正比與開關(guān)的占空比。

?
4) 若電感L電流不連續(xù)，則TOFF時(shí)間段需要分為兩段進(jìn)行分析。即電感有電流時(shí)段TOFF1，電感電壓為-Uo，電感無(wú)電流時(shí)段TOFF2，電感電壓為0（此時(shí)負(fù)載依靠濾波電容供電）。通過式5推導(dǎo)可知，輸出電壓UO值會(huì)偏高。

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三.?Buck 降壓斬波電路的仿真

圖9所示的 TINA 仿真電路將定量分析 Buck 電路中元件參數(shù)對(duì)電路的影響。
1) 為簡(jiǎn)單起見，使用了時(shí)間開關(guān) SW1 來(lái)模擬 MOSFET 開關(guān)，時(shí)間開關(guān)的占空比設(shè)為0.6，具體開關(guān)頻率根據(jù)仿真需要設(shè)定。
2) 濾波電容CO串聯(lián)了電阻RCS，用于模擬電容的等效串聯(lián)電阻，雖然 TINA 中電容的等效串聯(lián)電阻參數(shù)可以設(shè)定，但這里直接串聯(lián)電阻來(lái)仿真直觀些。

圖9 Buck 電路的 TINA 仿真

首先來(lái)仿真濾波電容等效串聯(lián)電阻RCS對(duì)輸出電壓紋波的影響。
1) 開關(guān)頻率保持1MHz，同時(shí)監(jiān)測(cè)二極管陰極電壓VF1和輸出電壓UO。
2) VF1上電壓如果是完美方波，則表示電感電流連續(xù)。SW1 閉合時(shí)，VF1電壓肯定是10V。但 SW1 斷開時(shí)，VF1電壓只有電感電流連續(xù)時(shí)才會(huì)保持在接近0V（忽略SD1的管壓降）。
3) 如圖10所示，VF1電壓為完美方波，所以電感電流連續(xù)。RCS取值100mΩ，可以看出UO的紋波電壓電壓比較明顯。進(jìn)一步分析可以看出，SW1 閉合階段，UO輸出增大；SW1 斷開階段，UO輸出降低，呈現(xiàn)鋸齒狀。紋波電壓的來(lái)源就是鋸齒狀紋波電流在RCS上的壓降。

圖10 100mΩ等效串聯(lián)電阻時(shí)的輸出紋波

4) 如圖11所示，其他參數(shù)均不改變，將RCS將為10mΩ，紋波電壓明顯降低。以上分析可以看出，直流電源濾波電容的效果不僅是看電容值的大小，而是與電容等效串聯(lián)電阻直接相關(guān)。同種類電容，電容值越大，電容等效串聯(lián)電阻越小。而同容量鉭電容的等效串聯(lián)電阻要遠(yuǎn)小于鋁電解電容，這是鉭電容濾波效果好的根本原因。

圖11 10mΩ等效串聯(lián)電阻時(shí)的輸出紋波

無(wú)論是圖10還是圖11，VF1的波形都是完美方波，這意味著電感電流連續(xù)，輸出電壓值也接近6V的理論值。下面來(lái)討論電感電流不連續(xù)的情況。
1) 如圖12所示，將開關(guān)頻率降為100kHz，VF1的波形不再是完美的方波，這說明電感電流不連續(xù)。
2) 雖然RCS取值10mΩ，但是紋波電壓卻和圖10中100mΩ情況差不多，這是因?yàn)殚_關(guān)頻率降低了10倍，電流起伏時(shí)間延長(zhǎng)，紋波電流峰值增大，自然紋波電壓也增大，基本符合十倍的關(guān)系。
3) 輸出電壓UO達(dá)到了7.1V，比電感電流連續(xù)時(shí)理論值6V要高，符合前面的分析。
4) 圖13中，電感電流斷續(xù)時(shí)間段，VF1的電壓產(chǎn)生了振鈴，其趨勢(shì)是等于UO。當(dāng)電感電流不再變化時(shí)，UL電壓為零，VF1電壓當(dāng)然就等于UO了。

圖13 開關(guān)頻率100kHz時(shí)瞬時(shí)仿真波形

5) 如圖14所示，進(jìn)一步減小開關(guān)頻率，電感電流斷續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)，可以更明顯的看出UO輸出電壓以達(dá)到9V，偏離6V的“理論值”更遠(yuǎn)。電流斷續(xù)時(shí)間段，VF1的電壓在經(jīng)歷振鈴以后，保持在9V，直到 SW1 再次閉合后電壓鉗位至輸入電壓10V。

圖14 開關(guān)頻率20kHz時(shí)瞬時(shí)現(xiàn)象仿真波形

圖13和圖14表明，開關(guān)頻率會(huì)影響電感電流是否連續(xù)，這是因?yàn)殡姼小V波電容、負(fù)載一定時(shí)，電感電流下降率是一定的，開關(guān)頻率越高，則 SW1 斷開時(shí)間越短，電感電流越不易下降到零，從而電流連續(xù)。下面的仿真將通過改變電感L實(shí)現(xiàn)電感電流連續(xù)。
1) 如圖15所示，將電感L增大到1mH，維持20kHz的開關(guān)頻率不變。
2) 電感電流衰減公式如式6所示，電感量越大，電流衰減速度越小。因此，即使開關(guān)頻率不高，通過增大電感也可以使電感電流連續(xù)。

?（6）

圖15電感1mH時(shí)的瞬時(shí)現(xiàn)象仿真波形

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總結(jié)

總結(jié)一下以上的討論：雖然我們一般都希望電感電流是連續(xù)的，但是電感量大小，濾波電容，開關(guān)頻率乃至負(fù)載大小都會(huì)影響電感電流是否連續(xù)。
1) 電感值越大，電流衰減越慢，電流越容易連續(xù)。
2) 開關(guān)頻率越高，TOFF絕對(duì)時(shí)間就越短，電流越容易連續(xù)。
3) 負(fù)載越重（電阻值越小），電感電流初值越大，電流越容易連續(xù)。想象一下極端情況，如果負(fù)載斷路，電感電流在開關(guān)閉合時(shí)也將是零，更不要說開關(guān)斷開了。這一結(jié)論留待讀者自行仿真。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的buck降压斩波电路的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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