BUCK电路

BUCK变换器2《开关电源》实战通俗易懂、深入实践、进阶必备avgLI_max_LImin_LI内容提要物料清单（实物）实验板成品测试效果图DC/DC变换原理BUCK稳压器原理TL494详解带过流保护的BUCK电路实例输入：10~40VDC输出：5V/1A过流保护：1.3A授课方式TL494工作点测试开关管、电感测试BUCK开环测试稳压控制环测试频率补偿测试过流保护测试原理讲解元件焊接电路测试波形分析基本原理功能模块目标：原理讲解简明易懂，通过实验数据和波形对理论进行验证，加深理解，学以致用。1、电磁感应•电磁感应现象提示：变压器正常工作的关键是要磁通有变化。电生磁磁生电titi磁通不变，不会产生感生电动势磁通变化，会产生感生电动势2、电感的伏安特性•电感线圈tEILNtILULNIB0电生磁)(0NIB磁生电NIAeAeBLINtNUL提示：加入磁芯可提高磁感应强度EffectiveAreatNUL磁芯的磁通量AeNL2L与N2成正比？EILNB这几个物理量的关系电感中,,,,,1、电感线圈上的电流是变化的2、电感线圈上的电压可以突变t(ms)U(V)10-1•例题：若流过电感线圈（L=1mH）的电流波形IL如下图所示，请计算各个时间段电感两端的电压UL，并画出电压波形。012345678t(ms)I(mA)1000提示：牢记电感的VA特性。思考：为什么电流方向不变，电压方向可变？要点电流都是正的，而电压可正可负；电流线性变化时电压为定值tILUL3、Buck变换器原理DUTTTUUinoffononinOOFFOONOinTUTUU)(TnUL2minmaxmin_IIIIavgLavgLI_max_LImin_LITILULLUTIL电流线性变化若输入输出电压、开关频率、占空比不变，仅改变L大小则电流的斜率和纹波大小会相应改变电磁感应定律D1，故为降压电感电流模式avgLI_max_LImin_LIkLUTIL若输入输出电压不变，开关频率不变，不限制电流的峰值avgLI_max_LImin_LIavgLI_max_LImin_LI纹波增大，斜率增大纹波减小，斜率减小BCM电感电流临界导电模式CCM电感电流连续导电模式DCM电感电流断续导电模式电感量L减小电感量L增加注意1、若输入输出电压不变，则占空比不变，电流上升和下降时长不变2、磁芯大小不变，L与线圈匝数N2成正比3、磁芯大小不变，在不引起磁饱和的情况下，改变L的大小仅影响电流的形态，不影响电感所能传递的功率大小，要改变功率，必须改变磁芯的规格。4、开关导通的时间不能过长，否则电感饱和，将失去电感的作用。4、BUCK变换器的稳压控制原理PWMUtOItUo上升，Ue减小，D减小，Uo降低反之，当Uo下降时，Ue增大，D增大，Uo上升refOUU输出电压inrefinOUUUUDLI5、PWM控制器PWM控制器误差放大器基准电压源PWM比较器锯齿波振荡器开关管驱动通用PWM控制器TL494误差放大器（2个）基准电压源（5V）PWM比较器锯齿波振荡器（频率外部设置）开关管驱动死区时间控制欠压保护输出控制（单端/双端）TL494内部结构5VUrefUsamTToscCRf1.1误差放大器参考电压PWM比较器锯齿波振荡器输出驱动电路16脚（DIP16、SOP16封装）TL494的控制逻辑+-+-+-+-PWM比较器OCOC=0OC=1UjUjUeUdtVcc5V4.9V3.5V或输出控制死区时间欠压保护欠压保护1234E注：“或”运算：只要有一个输入为高电平，输出即为高电平提示：PWM控制器内置多种保护功能常常采用“或”逻辑控制。UdtUeOFFON6、BUCK电路举例输入输出开关储能电感续流二极管滤波电容单端输出无软启动低电平开开关频率过流保护稳压控制频率补偿5V1015RVIpinOCP物料清单（BOM）名称型号规格名称型号规格R147,1/4W,直插C1104,瓷片/独石R2,R7150,1/4W,直插C2102,瓷片/独石R3,R947K,1/4W,直插C3100uF/50V,铝电解R41M,1/4W,直插C4470uF/25V,铝电解R5,R6,R85.1K,1/4W,直插C547uF/25V,铝电解R10a,R10b0.22,1/4W,直插D1MR850（或FR307）R1115,1/2W,直插DS1150mALED（2835贴片）TL494DIP16L11mH@2A物料清单提供元件的电参数、规格、型号，据此购买元件和设计PCB提示：可以根据元件的主要参数，选择性能指标相近，而品牌型号不同的替代型号实验板和实验方法功率开关三极管LED负载在底面测试端功率电感PCB布局图电路板实物实验方法边焊边测，渐步验证PWM控制器续流二极管滤波电容实验仪器（测试）数字示波器观测电压、电流的波形测量电压的幅度、频率等参数分析电路的工作状态数字万用表测量输出电流平均值滑动变阻器调节负载电流直流电源0-30V/3A实验步骤1TL494工作点2开关管及电感3开环的BUCK4稳压控制环5过流保护6带载能力测试1TL494工作点测试单端输出无软启动开关频率测试内容1、振荡波形及频率（锯齿波）2、单端输出的PWM信号（死区时间）3、14脚输出的电压（内部基准电压）kHzCRfTT4.2310110471.11.193%96DVVpin0.514元件安装12VDC1022CkR479222.010RTL494Vin-示波器夹子（接地）振荡波形PWM基准电压PIN5PIN8PIN14提示：焊接元件先焊个子矮的，TL494的U形缺口向上（与板上的丝印相一致）kHzCRf4.2310101010471.11.1122329准备测试的内容GND测试结果分析(1-1)12VDC示波器夹子（接地）振荡波形PIN5kHzCRf4.2310101010471.11.1122329GND测试内容测试结果波形（锯齿波）频率（23.08kHz）峰值电压（3.0V）示波器探头结果分析测试结果分析(1-2)12VDC示波器夹子（接地）PWM波形PIN8GND测试内容测试结果波形（TL494集电极开路，不能直接驱动开关管，须接上拉电阻）频率（28.05kHz）峰值电压（12.2V）示波器探头结果分析集电极开路焊上R1、R288.064.3544.41ssD低电平驱动PNP三极管测试结果分析(1-3)10~30V示波器夹子（接地）基准电压PIN14GND测试内容测试结果波形（直线）电压平均值（5.20V）输入电压在10~30V之间变化时，基准电压保持不变（5.20V）示波器探头结果分析2开关管及电感测试测试内容1、开关管集电极电压（与PWM反相）2、输出电压（由电感电流决定）inonCVV_LoffCVV_元件安装12VDCAmHL2/11TIP32A示波器夹子（接地）WR5.0/15112835/1501mADSVC50/1003471R1502R准备测试的内容开关管集电极电压输出电压GNDONOFF96.08.3656.35ssD测试结果分析(2-1)12VDC示波器夹子（接地）开关管集电极电压GND测试内容测试结果电压（Max:16V(ON),Min:-156V(OFF)）占空比（96%）示波器探头结果分析Why???+-+--++-电感储存的能量没有一个正常的电流回路释放只能通过电路上的分布电容和电阻以阻尼振荡的方式慢慢衰减，由于分布电阻很小，放电电流很小，故产生很高的尖锋电压。提示：尖锋电压与输入电压叠加在开关管两端，容易击穿开关管，需要加吸收或钳位电路开关导通瞬间，电源电压加至电感，由于电感的分布电容，产生一个高频的LC振荡，因此产生了一个短暂的过冲GND测试结果分析(2-2)12VDCON输出电压不等于12x0.96（11.5V）现在还不是BUCK输出电压测试内容测试结果波形（近似线性，相当于电感电流波形,CCM）电压平均值（6.32V，纹波电压3.6V(57%)）结果分析提示：R11功耗大，温度较高，小心烫伤，测试时间尽量不要太长。示波器夹子（接地）示波器探头输出电压测试内容3开环的BUCK电路测试测试内容1、开关管集电极电压（与PWM反相）2、输出电压（11.5V，纹波减小）inonCVV_尖锋大幅减小offCV_先后接上D1、C5元件安装12VDC示波器夹子（接地）准备测试的内容开关管集电极电压输出电压GND3071FRDVC25/475测试结果分析(3-1)12VDC示波器夹子（接地）开关管集电极电压GND测试内容测试结果波形（占空比约96%，与PWM波形反相）电压（Max:12.6V,约等于Vin（12V），Min:-4V,-156V）示波器探头结果分析ONOFFD1在开关断开时为电感提供了电流回路，放电电流大，故尖锋电压小12VDCGND测试结果分析(3-2)示波器夹子（接地）示波器探头ONOFF未接C5时接上C5后输出电压测试内容电压（纹波明显减小，降到1V）结果分析（加入C5后，进一步降至0.6V，3.6V）（平均值约11V,与BUCK电路的结果相符）未接D1和C5时特别提示此时R11的电压大幅升高至8V左右功耗接近LED的3倍，发热量大，温度高，小心烫伤，测试时间量短，否则有可能会烧坏R11。4稳压控制环测试测试内容1、输出电压（5V）（不随输入电压变化）2、开关管集电极电压（占空比约为0.4）3、PWM控制信号输出电压采样参考电压5V5V元件安装kR1.55VC25/4704kR1.58准备测试的内容开关管集电极电压输出电压PWM12VDC示波器夹子（接地）GND测试结果分析(4-1)10~30V示波器夹子（接地）输出电压GND测试内容测试结果波形（轻载时高频纹波约0.24V(约5%)）电压平均值（5.12V（5V+3%）基本符合输出要求，在输入10~30V范围内无变化，稳压）示波器探头结果分析测试结果分析(4-2)C极波形PWM波形12VDC示波器夹子（接地）开关管集电极电压GND测试内容测试结果示波器探头结果分析PWM波形（不稳定）（反馈环不稳定）（采取频率补偿）测试结果分析(4-3)频率补偿测试结果分析(4-3)12VDC示波器夹子（接地）开关管集电极电压GND测试内容示波器探头结果分析PWM波形（稳定）占空比实测值C极波形测试结果PWM波形46.092.3692.16ssD43.01212.5VVD占空比理论值ONOFF提示：开关管对输入电压斩波后的平均值基本上等于输出电压的平均值。5过流保护工作点测试测试内容1、参考电压（0.143V）2、采样电压（R10两端）（输出电流达到1.3A）3、过流保护VRRRVpin143.0576715参考电压basamplesampleRRIV1010//采样电压ARRVIbasampleOCP3.111.0143.0//1010（开关管断开）元件安装kR1.56222.010R1507RVVkVpin143.051.515015015准备测试的内容参考电压采样电压12VDC示波器夹子（接地）GNDPIN15PIN16测试结果分析(4-3)12VDC示波器夹子（接地）开关管集电极电压GND测试内容示波器探头结果分析PWM波形（稳定）占空比实测值C极波形测试结果PWM波形46.092.3692.16ssD43.01212.5VVD占空比理论值ONOFF提示：开关管对输入电压斩波后的平均值基本上等于输出电压的平均值。结果分析波形（稳定）GND12VDC测试结果分析(5)15电流采样参考电压输出电流采样波形参考电压测试内容采样电压示波器夹子（接地）示波器