1、拓扑介绍
BUCK电路图如上图所示,当开关管导通时,上电回路为电源—开关管—电感—电容—电源;当开关管关断时,放电回路为电感—电容—二极管—电感。(二极管是为了提供放电回路)
电路有三种模式,分别为CCM(连续),DCM(断续)以及BCM(临界)模式。所谓临界模式,就是当开关管S断开后,电感给负载放电,放电结束时正好开关管导通的一种特殊情况;若还没放完电开关管就导通即为CCM模式,反之放电完成了开关管还没导通则为DCM模式。下面我们对BCM模式进行分析,得出部分硬件参数该如何计算。
2、电感临界值
BCM模式下开关管时序、电感电流以及电感电压
思路一:
已知输入输出电压、电流纹波,对于电感来说,一个周期内的电流平均值为(面积除时间)
同时,电感电压为
解出后回代
得到:
解出L为:
思路二:电流纹波率(r一般取0.4左右)
,计算导通时的电感值,
=Ton=D*Ts=D/fs,V=Von(=Vin-Vout),
,带回可得
(跟思路一得出的结果一致,已知输入输出电压,输出电流,频率,占空比,r取0.4)
若要在DCM模式下运行,则电感要小于上值,反之运行在CCM模式下,电感要大于上值。因为在其他条件不变的前提下,电感越大,越会阻碍电流变化,纹波就会越小,电流就会大于0,就进入CCM模式下了。所以一般情况下我们都会让电感值L大于上述式子。
3、电容值计算
电容参数设计:设计完电感后,在已知电压纹波的前提下进行电容设计。
对于电容而言,它进行吸收和释放的能量就分别等于上图黄色部分
黄色部分面积即为电容吸收的电荷量:
根据上文的公式进行回代:
根据上式反推,当LC越大,开关频率越大,电压纹波越小
4、电感模块
经过上述电感计算和电容计算后,我们可以算出电流的上升下降斜率
先给一个图中电路,可以推算,当开关管导通时,电路为电源-电感,电感电压等于电源电压(15V),因此电感电流斜率为di/dt=Vin/L;当开关管关断时,电路为电感-二极管,电感电压等于二极管导通电压(0.7V),此时电感电流斜率为di/dt=0.7/L;画出图来就像上方右图一样,电流上升斜率远大于下降斜率,若占空比为50,那么电流将会一直上升
在BUCK电路中,当开关管导通时,电路为电源(15V)-电感-电容(电阻),电感电压VL=Vin-Vout,电感电流斜率等于(Vin-Vout)/L;当开关管关断时,电路为电感-电容(电阻)-二极管,电感电压为VL=0.7+Vout,电感电流斜率为(0.7+Vout)/L。
随着电路运行,Vout逐渐增大(0-2-4-5V),充电时电感电流斜率会逐渐减小,放电时电感电流斜率逐渐增大,直到输出符合要求的Vout(若增大到电源最大功率时,输出电压还不满足要求时,随着电感电流的继续增大电压就会减小,达不到所需求的输出电压,因为电源功率恒定),引出占空比D=Vout/Vin(根据伏秒平衡原理,Ion=Von*Ton/L=Vout*Tout/L=Iout,流入电流等于流出电流,Von*Ton=Vout*Tout,Von=Vin-Vout,带入化简可得Vout/Vin=Ton/(Ton+Toff)=D),控制就是在控制导通时间(占空比),从而让充放电时间改变。
5、其他注意事项
这是一款BUCK芯片内部图,中间PWM生成波的比较器是将参考电压和载波进行比较得出PWM波,生成一个固定占空比的PWM波,现在存在一个问题,如果说在芯片刚启动的时候,参考电压的建立需要的时间比载波的时间长,就会导致占空比为100%(参考电压一直低于载波),导致输出高于规定的Vout,所以引入软启动,即让载波变缓,让参考电压变快;同理在关断的时候,让载波变陡,让参考电压变慢。