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認(rèn)證類(lèi)型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：湯**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：廣東 上傳時(shí)間：2024-01-13 格式：DOC 頁(yè)數(shù)：6 大?。?0.31KB 積分：7.2 舉報(bào) 版權(quán)申訴

基本開(kāi)關(guān)電源拓?fù)洌?）-BUCK拓?fù)湟?，降壓型（BUCK）拓?fù)渫ㄟ^(guò)對(duì)上一章電源轉(zhuǎn)換器歷史的學(xué)習(xí)，胖友們已經(jīng)知道了要提升電源轉(zhuǎn)換效率，必須使電源轉(zhuǎn)換器本身的消耗盡量?。?，晶體管要工作在放大區(qū)改成工作在飽和區(qū)（開(kāi)關(guān)狀態(tài)）；2，為了防止電容器浪涌電流而將串聯(lián)的電阻器改成電感器。雖然改用電感器后解決了電源轉(zhuǎn)換器效率的問(wèn)題，但又引入了新的問(wèn)題：如下左圖所示，在“開(kāi)關(guān)”斷開(kāi)的瞬間電感器會(huì)導(dǎo)致高壓電?。蝗绱宋覀儽愠晒Φ貙㈦娙萜鞯摹袄擞侩娏鳌眴?wèn)題變成了電感器“高壓電弧”問(wèn)題。一頓操作猛如虎，好像也沒(méi)變好嘛，但現(xiàn)在我們只能一條路走到黑，想一想怎么解決這個(gè)高壓電弧的問(wèn)題呢？“開(kāi)關(guān)”關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)感應(yīng)電壓尖峰的原因是：先前流過(guò)電感器的電流不能中斷，需要續(xù)流回路，但又無(wú)路可走。所以電流自然地想要去突破電路中的“薄弱點(diǎn)”，即在“開(kāi)關(guān)”、電感器甚至在相鄰電路中產(chǎn)生“電弧”來(lái)續(xù)流。但如果我們有意識(shí)的在電路中提供續(xù)流回路，那么“開(kāi)關(guān)”關(guān)斷時(shí)的電感器電流就無(wú)序流過(guò)開(kāi)關(guān)，而由續(xù)流回路續(xù)流，這樣就不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題；電感器也不會(huì)以“高壓電弧”的形式來(lái)泄放。于是產(chǎn)生了降壓電源拓?fù)?，如上右圖所示。1，降壓型（BUCK）拓?fù)湓砣缦聢D所示為降壓型（BUCK）電源拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)示意圖，具體組成結(jié)構(gòu)如下：其中Q1為“開(kāi)關(guān)”（MOS管）串接在Vdc電源上，D1為續(xù)流二極管串接在GND上，L0為電感器與C0電容器形成LC濾波，保持輸出電源電壓Vo穩(wěn)定；——Q1，D1，L0和C0器件是BUCK電源電路的功率器件，構(gòu)成了開(kāi)關(guān)電源拓?fù)涞闹黧w。采樣電阻R1和R2負(fù)責(zé)輸出電壓Vo的檢測(cè)，并將其輸入誤差放大器（EA）并與參考電壓Vref進(jìn)行比較；——Vref需要穩(wěn)定的供電電源，所以有些電源控制器需要一個(gè)工作電源（例如：+5V），用于提供穩(wěn)定的參考電壓。被放大的誤差電壓Vea被輸入到脈寬調(diào)整放大器PWM；PWM脈沖輸入并以負(fù)反饋方式控制Q1的通斷。電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)負(fù)反饋的電路系統(tǒng)：對(duì)輸出電源電壓（Vo）采樣（R1和R2）并與標(biāo)準(zhǔn)參考電壓（Vref）進(jìn)行比較，如果輸出采樣電壓與參考電壓不等，那么需要改變“開(kāi)關(guān)”的打開(kāi)時(shí)間Ton，以響應(yīng)輸出電源電壓的變化，從而形成一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)?！覀兛吹降拈_(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)：輸入是Vin，輸出是Vout；但是對(duì)于電源環(huán)路來(lái)說(shuō)Vout是輸出（電源拓?fù)涞哪康木褪禽敵鲆粋€(gè)設(shè)定的、穩(wěn)定的電源電壓），但Vin并非是輸入，真正的輸入是Vref，所以在一定范圍內(nèi)的輸入電壓（Vin）或則其變化時(shí)還能保持穩(wěn)定的輸出電壓。（后續(xù)《環(huán)路穩(wěn)定性》章節(jié)具體分析）如下圖為BUCK電源拓?fù)潆娐分胁煌恢玫男盘?hào)波形，我們可以通過(guò)觀察它們的狀態(tài)來(lái)更深入理解BUCK電源拓?fù)涞墓ぷ鬟^(guò)程：在Q1導(dǎo)通時(shí)（Ton）：V1電壓(b)上升為Vdc，此時(shí)D1截止，電流方向如綠色線所示：Vdc經(jīng)過(guò)Q1（MOS管）和L0（電感器）輸出到C0（輸出電容器）和負(fù)載；Vo電壓(d)緩慢上升。——電源Vdc給電感器L1“充電”，并對(duì)負(fù)載和C0（輸出電容）供電；此時(shí)電感器L0兩端電壓為Vdc-Vo，且電感器電流線性增加（V=L*dI/dt），所以在負(fù)載電流Io不變的情況下，輸出電壓Vo必然線性增加，可以看成“剩余電流”（電感器電流IL-負(fù)載電流Io，即：紋波電流）對(duì)電容C0的充電操作。在Q1關(guān)斷時(shí)（Toff），電感器L0由于電流必須連續(xù)，繼續(xù)正向大電流，V1電壓（b）迅速下降直至0V（理想D1導(dǎo)通電壓為0V），此時(shí)二極管D1導(dǎo)通，電流方向如橙色線所示：GND經(jīng)過(guò)D1和L0輸出到負(fù)載；Vo電壓(d)緩慢減小?！忠豢措娏魇菑牡碗妷海℅ND）的地方流向高電壓（Vo），感覺(jué)這不科學(xué)啊，其實(shí)這非常地科學(xué)：在Ton時(shí)通過(guò)電感器L0儲(chǔ)存了能量，此時(shí)是將能量釋放出來(lái)，所以可將電感器L0看成是一個(gè)電源（有感應(yīng)電壓，具體請(qǐng)復(fù)習(xí)：《電感器原理》章節(jié)）；對(duì)于電感器L0來(lái)說(shuō)此時(shí)外加了一個(gè)-Vo的電壓，所以經(jīng)過(guò)電感器L0的電流必然線性減小，在負(fù)載電流需求不變的情況下，輸出電壓Vo必然線性減小，同時(shí)還需要輸出電容器C0也向負(fù)載提供一部分電能。輸入電容器串聯(lián)的是開(kāi)關(guān)管（MOS管），所以輸入電容器的電流是斬波式（電流變化非常大）的，如下左圖紅色線所示，必然會(huì)影響輸入電源的波動(dòng)；——BUCK電源輸入電容器，我們一般選擇uF級(jí)別陶瓷電容，且盡量靠近輸入電源管腳。輸出電容器串聯(lián)的是電感器，所以輸出電容電流相對(duì)來(lái)說(shuō)是“平滑”的，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流Io是直流，所以并不會(huì)流入/流出輸出電容器，而流經(jīng)輸出電容器的電流是：紋波電流；紋波電流一般設(shè)置負(fù)載電流Io的40%，即基于Io的±20%。如上右圖所示?！姼衅麟娏髯畲笾禐?.2Io，考慮降額一般選擇1.5Io電流值為電感器的額定工作電流。由于負(fù)載電流Io需求突發(fā)減小，導(dǎo)致輸出電壓Vo上升，那么通過(guò)R1/R2的反饋電壓增加，誤差放大器輸出電壓Vea（a）減小，脈寬調(diào)制器輸出的高電平占比（c）將下降，反饋控制Q1導(dǎo)通時(shí)間（b）減少，從而降低輸出電壓Vo；反之Vo下降，那么誤差放大器輸出電壓Vea（a）增大，脈沖調(diào)制器輸出高電平占比（c）上升，控制Q1導(dǎo)通時(shí)間（b）增加，從而提升輸出電壓Vo；形成負(fù)反饋機(jī)制，保證輸出電壓穩(wěn)定。如果是輸入電源電壓Vdc的突變是否會(huì)影響輸出呢？按照現(xiàn)在原理來(lái)說(shuō)輸入電源電壓Vdc增加，但是開(kāi)關(guān)占空比不變（占空比是對(duì)輸出電壓的監(jiān)控，而非輸入電壓），所以自然導(dǎo)致了輸出電壓的同步抬升，然后由輸出電壓的變化再反饋調(diào)整占空比。但事實(shí)并非如此，主要是Vt是隨輸入電源電壓波動(dòng)的，所以當(dāng)輸入電源電壓Vdc變大，那么PWM波的斜率會(huì)變大（更陡峭），所以占空比會(huì)隨輸入電壓Vdc成比例增加，從而保持輸出的穩(wěn)定，如下圖所示。（具體后續(xù)《環(huán)路穩(wěn)定性》專(zhuān)題詳細(xì)分析）現(xiàn)在考慮在穩(wěn)態(tài)時(shí)各器件的導(dǎo)通損耗，根據(jù)伏秒定律分析降壓拓?fù)洌篤on=Vin–Vsw-Vo，Voff=Vo-（-Vd）=Vo+Vd，Von*Ton=Voff*Toff；可得到占空比D=(Vo+Vd)/(Vin+Vd+Vsw)，二極管以及MOS管的壓降相對(duì)于輸入/輸出電壓比較小，所以可以簡(jiǎn)化為：D=Vo/Vin；輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為：Vo=Vin*D。2，“開(kāi)關(guān)”占空比的問(wèn)題上一節(jié)我們通過(guò)伏秒定律推理出來(lái)了：BUCK電源的占空比與輸入電源電壓Vin和輸出電源電壓Vo的比例相關(guān)，即D≈Vo/Vin。但是占空比居然跟負(fù)載電流Io無(wú)關(guān)，這就讓我有些費(fèi)解：輸入電源Vdc通過(guò)電感器L0（電感器兩端電壓同樣為：Vdc-Vo）傳輸能量，按理來(lái)說(shuō)在同樣Ton時(shí)間內(nèi)，輸送的能量都是一樣的，而不同負(fù)載電流的開(kāi)關(guān)電源傳輸能量并不一樣，所以Ton應(yīng)該隨負(fù)載電流變化才對(duì)。而實(shí)際上BUCK電源在不同輸出電流情況下的占空比，卻大致一樣（不同負(fù)載電流的電源轉(zhuǎn)換效率不同，導(dǎo)致的占空比不同）。我們接下來(lái)分析BUCK電源的兩個(gè)工作階段來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題：BUCK電源處于穩(wěn)態(tài)階段，電感器電流可以看成兩部分電流的疊加：直流電流IAVG和紋波電流IA，直流電流即負(fù)載電流（IAVG）部分保持恒定，而且開(kāi)關(guān)電源占空比也保持不變；其實(shí)伏秒定律就是在穩(wěn)態(tài)條件下的分析，如下圖所示；如上圖所示，電感器最小電流ILmin并非固定不變，理論上可以是任意值，但確定的是不管是在“開(kāi)關(guān)”閉合或關(guān)斷時(shí)電流都不會(huì)中斷（保持連續(xù)）；——電感器的原理決定了流經(jīng)電感器的電流不可突變。直流電流在電感器和電容器上不會(huì)產(chǎn)生任何作用：電感器（串聯(lián)）對(duì)直流電流來(lái)說(shuō)相當(dāng)于短路，電容器（并聯(lián)）對(duì)直流電流來(lái)說(shuō)相當(dāng)于斷開(kāi)，所以對(duì)于直流部分的負(fù)載電流，電感器和電容器都不會(huì)產(chǎn)生任何作用；但對(duì)BUCK電源來(lái)說(shuō)直流部分也是能量傳輸；——電感器的感值和電容器的容值在理論上并不能限制輸出電壓和電流的大小，所能影響的是輸出電源波動(dòng)的部分：紋波電流和紋波電壓的大小。所以我們就知道了，雖然都是輸入電源Vdc經(jīng)過(guò)電感器L0充電相同的時(shí)間Ton，但是它只能決定在Ton時(shí)間段的電感器電流的變化（電流變化率一樣），而無(wú)法決定具體電流的大?。▊鬏斈芰康拇笮。洳顒e在于直流電流的部分?！?fù)載電流雖然跟電感值沒(méi)有直接關(guān)系，但是與電感器/MOS管額定電流強(qiáng)相關(guān)；另外在實(shí)際設(shè)計(jì)中電感值和電容值也與負(fù)載電流相關(guān)的（具體后續(xù)《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》章節(jié)分析）。那如果負(fù)載電流Io從小突然變大呢？1,首先負(fù)載電流Io突然變大，而此刻BUCK電源的輸出能力還未增加；——通過(guò)上面的分析我們知道，電源的負(fù)載電流輸出能力取決于直流部分，而在穩(wěn)態(tài)時(shí)直流部分電流是保持不變的。2,Io需求增大，這部分增加的電能從輸出電容器或儲(chǔ)能大電容器提供，但不可避免的是輸出電源電壓Vo會(huì)降低；3,輸出電源電壓Vo降低，則開(kāi)關(guān)電源會(huì)自動(dòng)通過(guò)反饋環(huán)路增加“開(kāi)關(guān)”占空比，加大電流輸出能力，即電感器直流電流IAVG增加；4,輸出電源電壓Vo由于開(kāi)關(guān)電源輸出電流能力的提升，恢復(fù)到正常電壓值，此時(shí)IAVG已經(jīng)增加，占空比恢復(fù)到D=Vo/Vin，但此時(shí)兩者輸出電流能力是不同的。以電源啟動(dòng)工作為例，如下圖所示。通過(guò)這個(gè)問(wèn)題分析，我相信大家對(duì)BUCK電源中的電感器和電容器以及開(kāi)關(guān)管（MOS管）的作用，有了一定的認(rèn)識(shí)。我們?cè)倏偨Y(jié)一遍：電感器的感性部分（電感值）和電容器的容性部分（電容值）只作用于輸出電源的紋波電壓和紋波電流。電感器、MOS管以及續(xù)流二極管的額定電流決定了輸出電流的上限?！姼衅鞯念~定電流，取決于兩方面：1，繞組銅線的最大允許電流（表現(xiàn)為溫升）；2，磁芯飽和所允許最大電流（表現(xiàn)為電感值下降）。（具體請(qǐng)復(fù)習(xí)：《電感器原理》章節(jié)）3，輸出電容器和紋波電壓的問(wèn)題根據(jù)電感公式，我們知道在相同電壓下感值L決定了電感器電流的變化率：dI/dt=V/L，即在開(kāi)關(guān)BUCK電源拓?fù)渲须姼兄涤绊懥思y波電流的大??；但我們?cè)趯?shí)際工作中并不會(huì)直接去測(cè)量紋波電流的大小，而是看紋波電壓的大小，通過(guò)上一節(jié)的分析我們已經(jīng)知道紋波電流并非流入負(fù)載端，而是流入輸出電容器中，所以紋波電壓ΔV=ΔI*Rc。其中I是紋波電流，Rc為輸出電容器開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的ESR（有關(guān)電容器ESR的概念，具體請(qǐng)復(fù)習(xí)：《電容器原理》相關(guān)章節(jié)）。——實(shí)際上電容器模型由：電感、電阻和電容組成，但是在較低頻率下基本上等效于ESR；具體解釋如下圖所示。如上分析僅僅是穩(wěn)態(tài)情況下的紋波電壓由輸出電容器的ESR和紋波電流決定，如果負(fù)載電流突然變化，輸出電容器需要實(shí)現(xiàn)平滑輸出電源電壓的作用，所以綜合考慮，如下圖所示，對(duì)輸出電容器有如下要求：輸出電容器選擇必須滿(mǎn)足紋波電壓的要求，最大輸出紋波峰峰值小于輸出電壓的1%；紋波電壓主要由輸出電容器的ESR（Ro）決定；ESR<Vripple_max/(Io*r)；負(fù)載突增（動(dòng)態(tài)負(fù)載）時(shí)，可接受最大電壓跌落：ΔVdrop；一般開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路大約需要三個(gè)開(kāi)關(guān)周期來(lái)響應(yīng)并開(kāi)始矯正輸出，以滿(mǎn)足負(fù)載突變的需求，在此